Wie schwierig ist es, etwas zu begreifen, das man mit dem Verstand nicht fühlen kann?

In dem Science-Fiction-Drama „Love, Death & Robots“ gibt es eine Episode, in der die Charaktere mithilfe ihrer Gedanken Monster steuern, die dann über am Kopf getragene Geräte gegeneinander kämpfen. Dieses Gerät, das es Menschen ermöglicht, mit ihren Gedanken zu steuern, ist eine Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI).

Der Protagonist steuert das Monster mit seinen Gedanken über ein am Kopf getragenes Gerät. Standbilder aus „Love, Death & Robots“

Der Verstand kann es kontrollieren, aber es gibt kein Gefühl.

Einige der aktuellen Gehirn-Computer-Schnittstellen ermöglichen es uns, mit den Augen zu tippen oder Affen Spiele spielen zu lassen, indem sie auf den Bildschirm schauen. Wenn es jedoch um komplexere Vorgänge geht, wie etwa das Steuern von Monstern zum Kämpfen wie in Science-Fiction-Dramen oder auch nur das Auffangen einer heruntergefallenen Tasse, wäre dies ohne Tastsinn kaum möglich.

Wir halten die Empfindungen in unseren Gliedmaßen und Händen für selbstverständlich und sind uns nicht einmal bewusst, wie wichtig sie sind. Wenn Sie eine Gehirn-Computer-Schnittstelle ohne taktiles Feedback verwenden, ist das wie das Bedienen eines Greifautomaten. Sind Sie am richtigen Ort gelandet? Halten Sie es fest genug? Werden Sie die Kontrolle darüber verlieren? Wirst du die Puppe anstupsen? Wir wissen es nicht – es ist schwer, etwas zu begreifen, was man überhaupt nicht fühlen kann.

Patienten, die aufgrund von Wirbelsäulenverletzungen ihre Bewegungsfähigkeit verloren haben, können mithilfe von Gehirn-Computer-Schnittstellen eine einfache mentale Kontrolle erreichen. Vorhandene Gehirn-Computer-Schnittstellen nutzen hauptsächlich das Sehen, um den Roboterarm zum Greifen und Bewegen von Objekten zu steuern. Ähnlich wie beim Greifen einer Puppe haben wir kein wirkliches Gefühl, sie zu greifen, sodass die Bewegungen sehr unbeholfen und langsam sind. Der Patient, der am Brain-Computer-Interface-Experiment teilnahm, sagte außerdem: „Wenn es nur visuelles Feedback gibt, kann ich nur sehen, dass die Hand das Objekt berührt. Wenn ich damit etwas aufhebe, fällt es manchmal herunter.“

Wie können wir das Bewusstsein dazu bringen, die Maschine zu steuern und trotzdem ein echtes Gefühl zu haben? Die Antwort ist eine bidirektionale Gehirn-Computer-Schnittstelle oder Gehirn-Maschine-Gehirn. Nachdem das Bewusstsein des Gehirns die Maschine steuert, kann die Maschine auch taktile Stimulation an das Gehirn zurückmelden, um eine Echtzeitsteuerung zu erreichen.

Gehirn-Maschine-Gehirn ist besser

Kürzlich veröffentlichte ein Forscherteam der University of Pittsburgh in den USA in Science die neuesten Forschungsergebnisse einer bidirektionalen Gehirn-Computer-Schnittstelle, die es Menschen ermöglicht, einen Roboterarm mit ihren Gedanken zu steuern, um Objekte aufzuheben, und gleichzeitig direktes taktiles Feedback an das menschliche Gehirn zu geben.

Nathan Copeland, der an der Studie teilnahm, wurde 2004 bei einem Autounfall gelähmt. Er hat nur noch Gefühl in seinen Handgelenken, einigen Fingern und einem Teil seiner Schulter. Vor sechs Jahren begann er, an der Forschung des Labors zur Gehirn-Computer-Schnittstelle teilzunehmen.

Copeland steuert mit seinem Verstand einen Roboterarm, der einer Person die Hand schüttelt | UPMC/Pitt Gesundheitswissenschaften

Als Ergebnis dieses Experiments war er der erste Mensch weltweit, der Mikroelektroden-Arrays gleichzeitig in den Motorkortex und die somatosensorische Schicht des Gehirns implantierte, also in den Bereich des Gehirns, der sensorische Informationen aus dem Körper verarbeitet. Auf diese Weise kann die Gehirn-Computer-Schnittstelle nicht nur seine Bewegungsabsichten zur Steuerung des Roboterarms entschlüsseln, sondern ihm auch ermöglichen, taktiles Feedback zu spüren.

Als Copeland zum ersten Mal an dem Experiment teilnahm, erhielt er eine traditionelle Ausbildung in der Bedienung des Roboterarms auf der Grundlage visueller Wahrnehmung. Drei Jahre später war Copeland so geschickt darin, seinen Verstand einzusetzen, dass er den Roboterarm eine Kugel bewegen oder einen Würfel greifen ließ. Für die Greifaufgabe, die ein körperlich gesunder Mensch nur etwa fünf Sekunden benötigt, benötigte Copeland für die Bewältigung dieser Aufgabe im Durchschnitt etwa 20 Sekunden.

Das Training, das ausschließlich auf visueller Kontrolle beruhte, stieß an einen Engpass. Daher beschlossen die Forscher, Copeland taktiles Feedback vom Roboterarm erhalten zu lassen, um einen bidirektionalen Feedbackpfad von der Maschine zum Gehirn zu öffnen.

Mit taktilem Feedback dauert es viel weniger Zeit, dieselbe Aufgabe zu erledigen. Bei guter Leistung kann die Aufgabe in weniger als 4 Sekunden erledigt werden. Referenzen [1]

Durch das Hinzufügen von Drehmomentsensoren an der Basis der Finger des Roboterarms, um die Rotationskraft zu erfassen, die bei der Bewegung der Finger entsteht, und durch die Simulation der elektrischen Signale, die entstehen, wenn menschliche Finger Druck spüren, werden die elektrischen Signale über die Gehirn-Computer-Schnittstelle an das Mikroelektrodenarray übertragen, das in Copelands Kopfhaut implantiert ist. Auf diese Weise kann Copeland das Objekt spüren, das der Roboterarm berührt.

Copeland verspürte ein seltsames taktiles Gefühl, ähnlich wie Druck, und ein leichtes Kribbeln. Die Intensität dieser taktilen Rückmeldung variiert je nach der Kraft, die seine Hand auf das Objekt ausübt, was es ihm ermöglicht hat, sein Training sprunghaft zu verbessern. Früher hätte er zögernd herumgefummelt und versucht, sicherzugehen, dass er tatsächlich etwas gegriffen hatte. Dank der taktilen Rückmeldung benötigt er für die Greifaufgabe nun nur noch 10 Sekunden und damit die Hälfte der Zeit.

Die am Roboterarm angebrachten taktilen Sensoren ermöglichen eine „Echtzeitleitung“, die der von biologischen Körpern ähnelt. Die Verzögerungszeit des Gehirns auf die Berührung der Hand beträgt etwa 30 Millisekunden, und der Sensor sendet alle 20 Millisekunden ein Signal an die Gehirn-Computer-Schnittstelle. Dieses Echtzeit-Feedback fühlt sich für Copeland sehr natürlich an: „Die Steuerung ist so intuitiv, dass ich im Grunde nur über Dinge nachdenke, aber es fühlt sich an, als würde ich meinen eigenen Arm bewegen.“

Der Tastsinn ist nicht real, das Gehirn ist immer noch verbunden

Über eine bidirektionale Gehirn-Computer-Schnittstelle kann ein Mensch einen Roboterarm mit Gedanken steuern und so vollständige und natürliche Bewegungen ausführen. Dies ist ein großer Fortschritt bei der Unterstützung gelähmter Patienten bei der Wiedererlangung motorischer Fähigkeiten.

Allerdings unterliegt diese Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie noch immer zahlreichen Einschränkungen und erfordert große kabelgebundene Geräte, um eine Verbindung zum Gehirn des Probanden herzustellen.

Letztes Jahr hat Musk ein kompaktes und leichtes Gerät zur drahtlosen Verbindung vorgeführt. Wenn ähnliche Geräte eingesetzt werden könnten, ließe sich viel Ärger ersparen.

Musk lässt Affen mit ihrem Verstand spielen. Das Gehirn-Computer-Schnittstellengerät ist hier drahtlos. | Neuralink

Darüber hinaus muss der Realismus des taktilen Feedbacks verbessert werden. Vorhandene Sensoren sind noch immer nicht in der Lage, subtile Kräfte zu kontrollieren und komplexere Aufgaben wie echte menschliche Hände zu erfüllen. Wissenschaftler erforschen die Möglichkeit, die Bewegungsfähigkeit von Patienten durch das Einsetzen von Elektroden in die Gliedmaßen und den Einsatz von Exoskeletten wiederherzustellen. Vielleicht werden gelähmte Patienten eines Tages nicht mehr Roboterarme steuern, sondern ihre eigenen Hände und Füße.

Diese Technologie könnte in Zukunft vielen gelähmten Patienten eine teilweise Freiheit ermöglichen, beispielsweise indem sie sich selbst ein Glas Wasser einschenken und zum Mund führen können, ohne auf eine Pflegekraft angewiesen zu sein. Solche „kleinen Dinge“ können „große Dinge“ sein, die ihr Leben verändern.

Verweise

[1] Flesher SN, Downey JE, Weiss JM, et al. Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle, die taktile Empfindungen hervorruft, verbessert die Steuerung von Roboterarmen[J]. Science, 2021, 372(6544): 831-836.

[2]https://www.wired.com/story/this-brain-controlled-robotic-arm-can-twist-grasp-and-feel/

Autor: Jia Lan

Herausgeber: Xiao Towel, du Shiyou