На открытии Чемпионата мира по футболу нас ожидает … роботизированная прелюдия к этой «красивой игре».
12 июня на футбольное поле выйдет парализованный бразилец. Он будет передвигаться с помощью экзоскелета — роботизированного костюма и шлема с подведенными к нему электродами, который сначала будет распознавать сигналы головного мозга, а потом подавать команды механическим ногам.
Великое множество фанатов, желающих посмотреть чемпионат мира, впервые увидят инновационную разработку, которая, по мнению ее создателей, в один прекрасный день позволит инвалидам управлять роботизированными конечностями с помощью сигналов головного мозга. И в результате, инвалидные коляски окажутся не нужны. Правда, мы увидим лишь один из первых прототипов новинки, но по заявлениям нейроинженера Мигеля Николелиса (Miguel Nicolelis) из Университета Дьюка, возглавившего этот проект, в скором времени нейрокомпьютерный интерфейс позволит лицам, потерявшим подвижность в результате несчастных случаев или из-за болезни, снова встать на ноги. Для этого как раз и предназначен роботизированный костюм.
Сначала специальные датчики экзоскелета улавливают электрические сигналы, поступающие от головного мозга, а потом переводят их в цифровые команды, с помощью которых протез приводится в движение.
О своем решении показать новое устройство на Чемпионате мира по футболу Мигель Николелис сообщил в сентябре 2012 года в одной из статей нашего журнала. За неделю до открытия чемпионата мира по футболу корреспондент «Scientific American» взял интервью у Николелиса и узнал, на какой стадии сейчас находятся работы по созданию экзоскелета, а также поинтересовался, что будет происходить на футбольном поле и за его пределами.
[Приводим отредактированную стенограмму беседы.]
— Несколько лет назад вы заявили о своем желании продемонстрировать на церемонии открытия Чемпионата мира по футболу разработанный вами экзоскелет. Расскажите, что же он будет делать 12 июня?
— В течение нескольких последних месяцев в наших исследованиях принимали участие восемь пациентов-добровольцев. Большинству из них около 30 лет. Каждый из них в лабораторных условиях научился с помощью экзоскелета наносить удар по мячу. Кроме того, каждый испытывал ощущение движения: именно это является одной из главных целей нашего проекта — вернуть парализованному человеку ощущение, что он передвигается сам, без помощи вспомогательного механизма. И нам это удалось: наши пациенты научились при помощи сигналов мозга управлять движениями парализованных ног, а руки, не утратившие чувствительность, могут воспринимать ответные сигналы, исходящие от устройства. Все наши пациенты испытывали фантомные ощущения, подобные ощущениям в ампутированных конечностях, — в этом наше новаторство. Мы не думали, что у нас это получится.
На открытии чемпионата мира нам отвели очень мало времени, поэтому демонстрацию нашего устройства можно расценивать больше как символический жест, который как бы говорит, что наука способна дать миллионам парализованных людей во всем мире надежду на то, что в один прекрасный день они опять смогут ходить. Это отправная точка нашего проекта. За 16 месяцев нам удалось поднять проект практически с нуля; мы смогли уложиться в сроки и показать, что у нейрокомпьютерного интерфейса поистине большое будущее.
— Итак, вы выбрали одного из пациентов. Что он долен будет сделать во время открытия? Выйти на поле и ударить по мячу, как вы заявили в 2012 году?
— Я пока не скажу, что он будет делать. Не скажу даже моей маме, не говоря о «Scientific American» — уж извините. Для миллиарда человек приготовлен сюрприз.
— С технической точки зрения, конечно, сложно обеспечить обмен сигналами между головным мозгом и роботизированной системой. В какой мере экзоскелет управляется самим человеком и насколько его действия автоматизированы?
— Без человека движение осуществляться не может. Мы используем неинвазивные методы, то есть ЭЭГ [электроэнцефалографию]. Сначала человек должен мысленно себе представить движение, которое он собирается сделать — скажем, остановиться и ударить по мячу. Затем это мысленное указание должен выполнить экзоскелет. В 2002 году я опубликовал статью, в которой предложил принцип так называемого «раздельного управления», смысл которого состоит в следующем: головной мозг отвечает за принятие решений более высокого уровня, а роботизированное устройство — за движения механические, т.е. более низкого уровня. Суть [человеко-машинного] взаимодействия состоит в том, что человек в режиме реального времени обрабатывает сигналы, поступающие от экзоскелета. Каково процентное соотношение между ними, сказать не могу.
— Получается, что сначала головной мозг лишь посылает сигнал о том, что надо «идти», а реальным перемещением и ударом по мячу управляет компьютер экзоскелета?
— Двое из наших пациентов постепенно научились управлять своей ЭЭГ. Мы вдруг обнаружили, что некоторые их них действительно смогли это делать и, тем самым, научились регулировать скорость работы экзоскелета. Это обнаружилось буквально в последние недели. Полученные результаты свидетельствуют о том, что нам фактически удалось расширить возможности неинвазивного интерфейса. Все эти результаты будут опубликованы в течение последующих месяцев. По сути, мы создаем язык мыслей, который поможет пациентам выполнять различные движения. И в этом смысле мы находимся только в самом начале пути — и здесь потенциал довольно большой.
— Значит, раньше для того, чтобы манипулировать роботизированными конечностями, необходимо было имплантировать электроды непосредственно в головной мозг пациента. Однако теперь, по вашим словам, этого делать не нужно. Поэтому вы и надели вашим молодым пациентам так называемые энцефалографические шлемы, так?
— Технология имплантирования еще не доведена до ума. К тому же, она должна обладать преимуществами, которые бы перевесили потенциальные риски нейрохирургического вмешательства. Что касается меня, то я — убежденный ее сторонник. Правда, эту технологию предстоит еще доработать — аппаратуру нужно уменьшить в размерах и усовершенствовать. Восемь наших пациентов остались очень довольны результатами. Но если толку от имплантатов будет не больше, чем от обычных сенсоров, то пациентам вряд ли это понравится.
С помощью разработанных нами имплантатов (об этом уже говорилось в журнале Nature Methods за этот месяц) мы теперь можем регистрировать сигналы, передаваемые одновременно по 512 каналам по беспроводной сети, — до нас никто этого еще не делал. Мы научили обезьяну управлять инвалидной коляской — она смогла на ней ездить и делать еще много чего с помощью нейрокомпьютерного интерфейса, доказавшего, что эта вещь вполне возможна и перспективна. Однако на сегодняшний день интерфейс пока что не годится для человека.
— Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) является показателем электрической активности мозга. Но, как я понимаю, на нее могут повлиять различные помехи и шумы, образующиеся в результате работы мышц и движения глаз. Удалось ли вам отделить сигналы, посылаемые мозгом, от всех прочих сигналов?
— ЭЭГ записывается моментально, поэтому ее сразу можно соотносить с последующими движениями.
— А в общем случае, можно ли будет управлять экзоскелетом, скажем, с помощью звука или посредством движения пальцев?
— Этого я пока не знаю. Мы таких опытов не проводили.
— Как вы нашли тех бразильских пациентов, с которыми вам пришлось работать в течение последних нескольких месяцев?
— Мы действовали вместе с органами здравоохранения Бразилии, а также с крупнейшей в стране больницей для инвалидов-спинальников, в которой содержатся 65 тысяч пациентов, и выбрали восемь добровольцев, лучше всего подходивших для наших исследований.
— Вы выбирали молодых пациентов, только потому что их вес был относительно невелик?
— Поскольку их возраст находится в промежутке где-то от 22 до 38 лет, они входят в разные весовые категории. Некоторые из наших пациентов занимаются спортом, так что, это вполне здоровые молодые люди.
— Какая из использованных вами технологий наиболее инновационна — энцефалографический шлем, роботизированный костюм или программное обеспечение, обрабатывающее сигналы?
— Я не видел, чтобы кто-то другой кроме нас смог создать экзоскелет, который бы управлялся при помощи электрических сигналов головного мозга и одновременно с этим обеспечивал бы обратную связь с пациентом. Такого устройства либо не существует, либо о нем еще не успели сообщить в специальной литературе.
— Когда эта инновационная разработка будет доступна для парализованных людей во всем мире?
— Подобного рода вопросы задавали, когда человек ступил на Луну. И мы уже получили ответ. Именно так и развивается наука: сначала происходит прорыв, потом приходит понимание того, что именно надо делать, а затем начинаются работы по созданию новых модификаций специально для тех, кому они необходимы.
— А если в самый нужный момент что-то пойдет не так и экзоскелет сработает нештатно или же сам пациент вдруг занервничает, сможет ли система перейти на аварийный режим работы?
— Мы пересмотрели множество видеозаписей, на которых парализованные люди передвигаются с помощью нашего устройства. Надо будет выложить эти видеоролики в открытый доступ. Мы искренне надеемся, что экзоскелет все же будет работать нормально.
— А могут ли в день открытия возникнуть помехи какого-либо иного рода, скажем, могут ли мобильные телефоны на зрительских трибунах или еще что-нибудь как-то помешать работе экзоскелета?
— Думаю, что главная помеха — это журналисты. Слишком много развелось пессимистов, которые не способны увидеть всей картины целиком и понять, что это событие будет означать для науки данной развивающейся страны; они думают, что ученые создают лишь бомбы и прочее оружие. Однако нам нужно показать, что наука способна созидать и помогать человечеству. Именно это мы и хотим сделать.
— Почему вы решили продемонстрировать эту инновационную разработку именно на чемпионате мира по футболу?
— Потому что мы говорим «Чемпионат мира» — подразумеваем «Бразилия»; говорим «Бразилия» — подразумеваем «Чемпионат мира». Вряд ли найдется какая-либо другая страна, с которой бы так прочно ассоциировалась вся красота футбола. Это вполне справедливо. Кроме того, у нас есть планы и на Паралимпийские игры. И тоже в Бразилии. Не волнуйтесь, мы и там появимся.
