不動(dòng)手光動(dòng)嘴，吃到一口蛋糕共分幾步？

先意念控制拿叉子的機(jī)械臂，對(duì)準(zhǔn)蛋糕叉下去。

再控制拿刀的機(jī)械臂切下一塊。

最后一邊旋轉(zhuǎn)一邊移動(dòng)機(jī)械臂，把蛋糕舉到嘴邊，搞定。

來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)的這項(xiàng)研究，通過(guò)腦機(jī)接口讓一位癱瘓 30 年的志愿者做到同時(shí)操縱兩個(gè)機(jī)械臂。

使用刀叉對(duì)普通人來(lái)說(shuō)并不難，但對(duì)于腦機(jī)接口系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)機(jī)械臂共有34 個(gè)自由度需要操控。

包括肩、肘、腕的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，手掌的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向以及手指的控制。

并且這位志愿者是世界首位雙邊植入者，也就說(shuō)大腦左右半球都植入了電極陣列。

解碼如此復(fù)雜的神經(jīng)信號(hào)，對(duì)現(xiàn)在的技術(shù)來(lái)說(shuō)還是太難了。

這一次研究團(tuán)隊(duì)提出新方法，把需要操控的自由度從 34 個(gè)減少到了 12 個(gè)，并且其中大部分交給算法來(lái)處理，人類(lèi)只需要同時(shí)控制不超過(guò) 4 個(gè)。

最終在吃蛋糕實(shí)驗(yàn)中，參與者可以根據(jù)自己喜好微調(diào)機(jī)械臂控制切下蛋糕的大小，實(shí)現(xiàn)了雙手協(xié)調(diào)的精細(xì)操作。

最近公開(kāi)的一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，向人們展示了這項(xiàng)研究中的更多細(xì)節(jié)。

把人與機(jī)器視為一個(gè)整體計(jì)算

新方法學(xué)名叫共享控制策略（Shared Control Strategy）。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在共享控制系統(tǒng)內(nèi)部把參與試驗(yàn)的人類(lèi)和兩個(gè)機(jī)械臂視作一個(gè)人機(jī)組合，由算法統(tǒng)一調(diào)度。

這樣一來(lái)，系統(tǒng)在最終操作執(zhí)行環(huán)節(jié)只需要考慮兩個(gè)機(jī)械臂的末端執(zhí)行器（也就是手）的 3D 位置和 3D 方向。

算下來(lái)，就是 3+3 再乘上 2 兩只手，一共 12 個(gè)自由度。

在這個(gè)系統(tǒng)下，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和手指的捏合等其它自由度都交給逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法（Inverse Kinematics）來(lái)求解。

更進(jìn)一步，這 12 個(gè)自由度在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中是動(dòng)態(tài)劃分的。

對(duì)于每一個(gè)特定任務(wù)，系統(tǒng)都會(huì)劃分好執(zhí)行的環(huán)節(jié)步驟，通過(guò)語(yǔ)音引導(dǎo)人類(lèi)參與者最多同時(shí)控制其中的 3 個(gè)，大部分工作交給算法來(lái)完成。

參與實(shí)驗(yàn)中的是一位 49 歲的志愿者，他因脊髓損傷患上肢癱瘓已超過(guò) 30 年，肩、肘和腕部關(guān)節(jié)都只有很有限的活動(dòng)能力。

在這次實(shí)驗(yàn)中，他需要真的嘗試去移動(dòng)手臂，而不是想象自己在移動(dòng)手臂。

這樣產(chǎn)生的神經(jīng)信號(hào)更容易被解碼，這也是在視頻中會(huì)看到他運(yùn)動(dòng)能力受限的腕部不時(shí)有動(dòng)作的原因。

最終，在共享控制策略下左右手的平均解碼準(zhǔn)確率分別為 63.5% 和 67.6%。

總共 20 個(gè)測(cè)試任務(wù)，他成功執(zhí)行了 17 個(gè)。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，使用共享控制策略降低操控自由度對(duì)腦機(jī)接口發(fā)展來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。

其最大的意義在于減少人需要投入的精力，降低腦機(jī)接口的解碼難度，讓植入電極少或精度較低的便宜方案也能受益。

One More Thing

在研究報(bào)告中，還有一個(gè)有趣的細(xì)節(jié)。

原本的 20 個(gè)測(cè)試任務(wù)里是不包含吃蛋糕這一項(xiàng)的，但是蛋糕太香了，所以志愿者主動(dòng)選擇要試一下。

在新方法的初級(jí)階段，執(zhí)行這樣一個(gè)復(fù)雜任務(wù)并不容易，大家看到的視頻演示是加速 5 倍播放的。

實(shí)際情況是，吃到一口蛋糕前后總共要花費(fèi)90 秒。

有網(wǎng)友表示這樣適合吃火鍋，燙的食物送到嘴邊時(shí)候剛好也涼了。