Quantumrun

KUVAKrediitti:

iStock

Keinotekoiset hermostojärjestelmät: Voivatko robotit vihdoin tuntea?

Keinotekoiset hermostojärjestelmät voivat vihdoin antaa proteettisille ja robottiraajoille tuntoaistin.

Kirjoittaja:
tekijän nimi
Quantumrun Foresight
Marraskuussa 24, 2023

Havainnon yhteenveto

Ihmisen biologiasta inspiraation saaneet keinohermojärjestelmät muuttavat robottien ja aistimaailman välistä vuorovaikutusta. Nämä järjestelmät kehittyvät nopeasti vuonna 2018 tehdystä merkittävästä tutkimuksesta, jossa sensorinen hermopiiri pystyi erottamaan pistekirjoituksen, ja Singaporen yliopiston vuonna 2019 luomaan keinoihon, joka ylittää ihmisen kosketuspalautteen. Etelä-Korean tutkimus vuonna 2021 osoitti edelleen valoherkän järjestelmän, joka ohjaa robotin liikettä. Nämä tekniikat lupaavat parannettuja proteeseja, ihmisen kaltaisia robotteja, parannettua kuntoutusta neurologisten vammojen varalta, kosketusrobottikoulutusta ja jopa lisääntyneitä ihmisen refleksejä, mikä saattaa mullistaa lääketieteen, sotilas- ja avaruustutkimuksen kentät.

Keinotekoisen hermoston konteksti

Yksi ensimmäisistä keinotekoisista hermostotutkimuksista tehtiin vuonna 2018, jolloin Stanfordin yliopiston ja Soulin kansallisen yliopiston tutkijat pystyivät luomaan hermojärjestelmän, joka pystyi tunnistamaan pistekirjoituksen aakkosten. Tämän saavutuksen mahdollisti sensorinen hermopiiri, joka voidaan sijoittaa ihomaiseen päällysteeseen proteeseille ja pehmeälle robotiikalle. Tässä piirissä oli kolme komponenttia, joista ensimmäinen oli kosketusanturi, joka pystyi havaitsemaan pieniä painepisteitä. Toinen komponentti oli joustava elektroninen neuroni, joka vastaanotti signaalit kosketussensorilta. Ensimmäisen ja toisen komponentin yhdistelmä johti keinotekoisen synaptisen transistorin aktivoitumiseen, joka matkii ihmisen synapseja (hermosignaaleja kahden neuronin välillä, jotka välittävät tietoa). Tutkijat testasivat hermopiiriään kiinnittämällä sen torakan jalkaan ja kohdistamalla anturiin erilaisia paineita. Jalka nykisi käytetyn paineen mukaan.

Yksi keinotekoisten hermostojen tärkeimmistä eduista on, että ne voivat jäljitellä ihmisten tapaa reagoida ulkoisiin ärsykkeisiin. Tämä ominaisuus on jotain, mitä perinteiset tietokoneet eivät pysty tekemään. Esimerkiksi perinteiset tietokoneet eivät pysty reagoimaan riittävän nopeasti muuttuviin ympäristöihin – mikä on olennaista tehtävissä, kuten proteettisten raajojen hallinnassa ja robotiikassa. Mutta keinotekoiset hermostojärjestelmät voivat tehdä tämän käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan "spikingiksi". Spiking on tapa välittää tietoa, joka perustuu siihen, miten todelliset neuronit kommunikoivat toistensa kanssa aivoissa. Se mahdollistaa paljon nopeamman tiedonsiirron kuin perinteiset menetelmät, kuten digitaaliset signaalit. Tämä etu tekee keinotekoisista hermojärjestelmistä soveltuvia nopeita reaktioita vaativiin tehtäviin, kuten robottimanipulaatioon. Niitä voidaan käyttää myös kokemusoppimista vaativissa töissä, kuten kasvojentunnistuksessa tai monimutkaisissa ympäristöissä navigoinnissa.

Häiritsevä vaikutus

Singaporen yliopisto pystyi vuonna 2019 kehittämään yhden edistyneimmistä keinotekoisista hermojärjestelmistä, joka voi antaa roboteille jopa ihmisen ihoa paremman kosketustunteen. Asynchronous Coded Electronic Skin (ACES) -niminen laite käsitteli yksittäisiä anturipikseleitä lähettääkseen nopeasti "tunnetietoja". Aiemmat keinotekoiset ihomallit käsittelivät näitä pikseleitä peräkkäin, mikä aiheutti viiveen. Tiimin tekemien kokeiden mukaan ACES on jopa ihmisen ihoa parempi kosketuspalautteen suhteen. Laite pystyi havaitsemaan paineen yli 1,000 kertaa nopeammin kuin ihmisen aistihermosto.

Sillä välin vuonna 2021 kolmen eteläkorealaisen yliopiston tutkijat kehittivät keinotekoisen hermoston, joka pystyy reagoimaan valoon ja suorittamaan perustehtäviä. Tutkimus käsitti valodiodin, joka muuttaa valon sähkösignaaliksi, robottikäden, neuronipiirin ja transistorin, joka toimii synapsina. Joka kerta kun valo sytytetään, valodiodi muuttaa sen signaaleiksi, jotka kulkevat mekaanisen transistorin läpi. Signaalit käsitellään sitten neuronipiirissä, joka käskee robottikättä nappaamaan pallon, joka on ohjelmoitu pudottamaan heti valon syttyessä. Tutkijat toivovat kehittävänsä tekniikkaa niin, että robottikäsi voi lopulta saada pallon kiinni heti sen pudottua. Tämän tutkimuksen päätavoite on kouluttaa ihmisiä, joilla on neurologisia sairauksia, saamaan takaisin hallintaansa raajoissaan, joita he eivät voi hallita yhtä nopeasti kuin ennen.

Keinotekoisen hermoston vaikutukset

Keinotekoisten hermostojen laajempia vaikutuksia voivat olla:

Humanoidirobottien luominen, joilla on ihmisen kaltainen iho ja jotka voivat reagoida ärsykkeisiin yhtä nopeasti kuin ihmiset.
Aivohalvauspotilaat ja halvaukseen liittyvät sairaudet voivat saada takaisin tuntoaistinsa hermostoon upotettujen sensoripiirien kautta.
Robottiharjoittelusta tulee entistä koskettavampaa, ja etäkäyttäjät voivat tuntea, mihin robotit koskettavat. Tämä ominaisuus voi olla kätevä avaruustutkimuksessa.
Edistystä kosketuksentunnistuksessa, jossa koneet voivat tunnistaa esineitä samanaikaisesti näkemällä ja koskettamalla niitä.
Ihmisillä, joilla on lisääntynyt tai tehostunut hermosto nopeampi reflekseillä. Tämä kehitys voi olla hyödyllistä urheilijoille ja sotilaille.