Estratégias cognitivas para aumentar o corpo com um braço robótico vestível

O neuroengenheiro Silvestro Micera desenvolveu soluções tecnológicas avançadas para ajudar as pessoas a recuperar funções sensoriais e motoras perdidas devido a eventos traumáticos ou distúrbios neurológicos. Até agora, ele nunca havia trabalhado no aprimoramento do corpo humano e da cognição com a ajuda da tecnologia.

Agora, em um estudo publicado em Robótica Científica, Micera e sua equipe relatam como o movimento do diafragma pode ser monitorado para o controle bem-sucedido de um braço extra, essencialmente aumentando um indivíduo saudável com um terceiro braço – robótico.

“Este estudo abre novas e excitantes oportunidades, mostrando que braços extras podem ser extensivamente controlados e que o controle simultâneo com ambos os braços naturais é possível”, diz Micera, Presidente da Fundação Bertarelli em Neuroengenharia Translacional na EPFL e professor de Bioeletrônica na Scuola Superiore Sant. ‘Ana.

O estudo faz parte do projeto Third-Arm, que visa fornecer um braço robótico vestível para auxiliar nas tarefas diárias ou para ajudar em buscas e resgates. Micera acredita que explorar as limitações cognitivas do controle do terceiro braço pode, na verdade, fornecer portas para uma melhor compreensão do cérebro humano.

Micera continua: “A principal motivação deste controle do terceiro braço é compreender o sistema nervoso. Se você desafiar o cérebro a fazer algo que é completamente novo, poderá aprender se o cérebro tem capacidade para fazê-lo e se é possível facilitar esta aprendizagem. Podemos então transferir esse conhecimento para desenvolver, por exemplo, dispositivos de assistência para pessoas com deficiência ou protocolos de reabilitação após acidente vascular cerebral.”

“Queremos entender se nossos cérebros estão programados para controlar o que a natureza nos deu, e mostramos que o cérebro humano pode se adaptar para coordenar novos membros em conjunto com os biológicos”, explica Solaiman Shokur, co-PI do estudo e cientista sênior da EPFL no Instituto Neuro-X.

“Trata-se de adquirir novas funções motoras, aprimorar além das funções existentes de um determinado usuário, seja ele um indivíduo saudável ou deficiente. Do ponto de vista do sistema nervoso, é um continuum entre reabilitação e aumento”.

Para explorar as restrições cognitivas do aumento, os pesquisadores primeiro construíram um ambiente virtual para testar a capacidade de um usuário saudável de controlar um braço virtual usando o movimento do seu diafragma. Eles descobriram que o controle do diafragma não interfere em ações como controlar os braços fisiológicos, a fala ou o olhar.

Nesta configuração de realidade virtual, o usuário é equipado com um cinto que mede o movimento do diafragma. Usando um fone de ouvido de realidade virtual, o usuário vê três braços: o braço e a mão direitos, o braço e a mão esquerdos e um terceiro braço entre os dois com uma mão simétrica de seis dedos.

“Tornamos esta mão simétrica para evitar qualquer tendência para a mão esquerda ou direita”, explica Giulia Dominijanni, Ph.D. estudante do Instituto Neuro-X da EPFL.

No ambiente virtual, o usuário é então solicitado a estender a mão esquerda, a direita ou no meio com a mão simétrica. No ambiente real, o usuário segura um exoesqueleto com ambos os braços, o que permite o controle dos braços virtuais esquerdo e direito. O movimento detectado pela correia ao redor do diafragma é usado para controlar o braço central simétrico virtual. A configuração foi testada em 61 indivíduos saudáveis ​​em mais de 150 sessões.

“O controle do diafragma do terceiro braço é na verdade muito intuitivo, com os participantes aprendendo a controlar o membro extra muito rapidamente”, explica Dominijanni. “Além disso, nossa estratégia de controle é inerentemente independente dos membros biológicos e mostramos que o controle do diafragma não afeta a capacidade do usuário de falar de forma coerente”.

Os pesquisadores também testaram com sucesso o controle do diafragma com um braço robótico real, um braço simplificado que consiste em uma haste que pode ser estendida para fora e para dentro. Quando o usuário contrai o diafragma, a haste é estendida. Em um experimento semelhante ao ambiente VR, o usuário é solicitado a alcançar e passar o mouse sobre os círculos-alvo com a mão esquerda ou direita, ou com a haste robótica.

Além do diafragma, mas não relatado no estudo, os músculos vestigiais da orelha também foram testados quanto à viabilidade na realização de novas tarefas. Nesta abordagem, o usuário é equipado com sensores auditivos e treinado para usar movimentos finos dos músculos do ouvido para controlar o deslocamento de um mouse de computador.

“Os usuários poderiam usar esses músculos do ouvido para controlar um membro extra”, diz Shokur, enfatizando que essas estratégias alternativas de controle podem um dia ajudar no desenvolvimento de protocolos de reabilitação para pessoas com deficiências motoras.

Como parte do projeto do terceiro braço, estudos anteriores sobre o controle de braços robóticos concentraram-se na ajuda a amputados. O mais recente Robótica Científica O estudo é um passo além da reparação do corpo humano em direção ao aumento.

“Nosso próximo passo é explorar o uso de dispositivos robóticos mais complexos utilizando nossas diversas estratégias de controle, para realizar tarefas da vida real, tanto dentro como fora do laboratório. Só então seremos capazes de compreender o real potencial desta abordagem, “, conclui Micera.