روباتیک به کمک معلولان می آید
روباتیک به کمک معلولان می آید
در آینده ای نزدیک امواج مغزی وسایل را کنترل خواهند کرد
نویسنده: آریا صبوری
دکتر علیرضا کاکاوند، فارغ التحصیل رشته مهندسی پزشکی از دانشگاه ایالتی آریزونا و محقق در بیمارستان و مرکز مغز و اعصاب فینیکس که سال ها در زمینه های گوناگون علمی مرتبط با مهندسی پزشکی کار و تحقیق کرده، از معدود پژوهشگران ایرانی است که روی بازیابی امواج مغزی برای کنترل ابزار کار می کند.
او مدت ها برای ناسا، آژانس هوافضایی ایالات متحده آمریکا در زمینه سلامت فضانوردان، پژوهش روی نحوه رشد سلولی در جاذبه مغز و طراحی سامانه حمایت از حیات لباس فضانوردی کار و تحقیق کرده است. اما شاید هیجان انگیزترین زمینه فعالیت دکتر کاکاوند، مطالعه برای شناخت و کنترل امواج مغزی به منظور هدایت و راهبری بازوهای روباتیکی بوده که می تواند تحولی شگرف در کیفیت زندگی بشر به وجود آورد.
همچنین در صورتی که این ایده روزی محقق شود، می توان انتظار داشت کامپیوترهای آینده به جای اتصال به برق، نیاز داشته باشند تا روزی یک حبه قند در دهانشان بیندازیم.
امواج مغزی چگونه تولید می شود؟
در مغز انسان و حیوانات سلول های بسیاری هستند. ما به این سلول ها به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی نگاه می کنیم که یا روشن هستند یا خاموش. به یک سلول امکان دارد ورودی های زیادی برسد ولی روشن نشود. تا وقتی که به حدی از ورودی های بیوالکتریک برسد یکدفعه روشن شده و بعد باز خاموش یا غیرفعال می شود، بنابراین ما می توانیم فرکانس این سلول ها را به صورت یک موج بررسی کنیم.
آیا بشر توانسته چگونگی عملکرد مغز را بفهمد؟
سلول های عصبی در یک شبکه بزرگ باهم کار گروهی می کنند و بسیار فعال هستند. یک سلول از تعداد بی شماری سلول ورودی می گیرد و همچنین به تعداد بی شماری سلول خروجی می دهد و برای همین بررسی عملکرد این شبکه سلولی یا شبکه عصبی بسیار پیچیده است. برای همین هنوز شناخت کاملی از کارکرد دقیق هر بخش و ویژگی های سلولی و عصبی حواس مثل بویایی شنوایی و... در دست نیست.
محققی مثل شما چگونه عملکرد مغز را بررسی می کند؟
این حواس هنگام عملکردشان امواج بیو الکتریکی از خودشان منتشر می کنند و ما با بررسی محلی از مغز که این امواج از آن ساطع می شود یک ایده کلی از کارکرد هر بخش مغز به دست می آوریم. در قدیم و حتی امروزه با وصل کردن الکترودهای مختلفی به سر انسان در حالت های مختلف وضعیت امواج مغزی فرد بررسی می شود، امواج مغزی در حالت های مختلف مثلاوقتی انسان خواب است با حالت های بیداری یا... متفاوت است.
فرآیند مطالعاتی شما چگونه بوده است؟
به طور مثال شما اگر بخواهید یک لیوان را بر دارید، به کمک دست این کار را انجام می دهید، دستی که دارای عضلات بسیاری است که منقبض و منبسط می شود و دست را به سمت جهت خاصی هدایت می کنند، تمام این اعمال توسط مغز کنترل می شود، ضمنا این کار را خیلی عادی انجام می دهید براحتی و مانند خیلی از کار های روزمره دیگر، اما ما می خواستیم بدانیم مغز چطور اینقدر دقیق این همه محاسبات را انجام می دهد و فرمان را صادر می کند، برای این که دقیق متوجه بشویم ما یکسری الکترودهای سوزنی را در مغز میمون ها با جراحی کار گذاشتیم تا از تک تک سلول های مغزی اطلاعات جمع کنیم.
اختلاف پتانسیل بین سلول های مغزی مگر چقدر است که می توانید با الکترود ولتاژ آن را بسنجید؟
خیلی ضعیف است و بر اثر واکنش های شیمیایی درون سلول به وجود می آید. ما اختلاف آن را با اختلاف پتانسیل محیط بیرون به کمک الکترودهایی که مقاومت بسیار بالایی دارند، حس می کنیم.
تحقیقات شما آیا یافته های نوینی نیز در پی داشت؟
گروهی که من هم عضوی از آن بودم طی سال های بسیاری و قبل از حضور من و بعد از این که من هم از آن مرکز رفتم، زیر نظر استاد راهنمای من به طور بسیار هدفمند روی مغز مطالعه انجام می دهند. در این مدت ما دریافتیم بخشی از مغز که حرکت به جهات مختلف را هدایت می کند با حرکت ما به سمت های مختلف، سلول های آن سمت ها فعال تر می شوند و صدای بسیار فعال تری را اگر به بلندگو وصل کنید تولید می کند (صداهایی مانند تق تق ولی بسیار شدید دارای نوسان در بخش های مختلف به نسبت کم و زیاد شدن حرکت به یک سمت خاص) و طرف مخالف صدایش کمتر می شود.
ما این قضیه را با معادلات کسینوسی مدل سازی کردیم، البته این به آن معنی نیست که ما روش کار مغز را فهمیدیم بلکه فقط به یک دیدگاه رسیدیم که نوع فعالیت سلول های بخشی خاص که در حرکت به جهتی خاص این گونه رفتار می کنند را شناسایی کردیم.
با بررسی برآیند تمایل حرکت هر سلول مغز و با استفاده از جمع برداری و یافتن برآیند کلی تمایل حرکت مجموعه ای از سلول ها ما می توانیم 150 میلی ثانیه زودتر حرکت فرد را پیشگویی کنیم و به طور مثال حدس بزنیم می خواهد به چه فرمی برگه ای را امضا کند.
کاکاوند: شناخت ما از مغز و پیشرفت تکنولوژی سنسورها و الکترودهای مختلف برای این کار می تواند ما را به سمت کنترل کامل سیستم ها توسط امواج مغزی ببرد که این مساله می تواند توانایی بسیاری را برای معلولان، کم توانان و سالمندان فراهم کند
این باعث شد ما تقریبا بتوانیم با بررسی عملکرد سلول ها جهت حرکت را تقریبا تشخیص دهیم، مغز میلیون ها سلول دارد و جهت حرکت بدن با بررسی یک سلول مشخص نمی شود. دستورات تا از مغز به نخاع و اعصاب و عضلات برسند حدود 100 تا 150 میلی ثانیه به دلیل واکنش های الکتریکی و شیمیایی و کندی عملگرهای بدن ما (ماهیچه ها) طول می کشد و این همان زمانی است که ما زودتر از حرکت، از انجام آن واقف می شویم.
پس ما چون داریم از مغز اطلاعات به دست می آوریم می توانیم حدود 100 تا 150 میلی ثانیه زودتر بفهمیم که میمون یا انسان قصد حرکت به چه جهتی را دارند.
این یافته ها به ساخت روبات ها چه کمکی می کند؟
با استفاده از همین اطلاعات ما می توانیم در کنترل بازوهای روباتیک توسط ذهن موفق باشیم و با وصل کردن این بازوها به بدن معلولان و شناختی که از نوع حرکات و زوایای بدن داریم بازو را با فرمان ذهنی کنترل می کنیم.
آیا این کار قبل از شما نیز سابقه اجرا داشته است؟
از سال های بسیار قبل روی مغز و امواج مغزی تحقیقات گسترده ای انجام شده است، ولی این که روی حرکت ابزار متصل به مغز کار کنند و ارتباط آن با مغز برای کنترل روبات ها، به نوعی توسط استاد راهنمای من و مرکز ما صورت گرفت که از 20 سال قبل روی آن تحقیقات را شروع کردیم و در سال های اخیر به نتایج ارزشمندی رسیدیم.
تا به حال از چنین دانشی، محصولی در قالب آزمایشگاهی یا تولیدی ساخته شده است؟
در سطح آزمایشگاهی بله اما مساله ای که هست و این محصولات به تولید کلان نمی رسند به دلیل الکترودهایی است که باید در مغز کار گذاشته شود، این الکترودها هنوز قابلیت این که طولانی مدت در مغز باشد یا در گستره زیادی از مغز قرار بگیرد را نداشته و مناسب نیست، ما اکنون بخوبی سلول ها را بررسی می کنیم، اطلاعات را جمع آوری و پردازش می کنیم و واقعا فکر می کنم این الکترودها اصلی ترین مشکل هستند که تحقیقات برای مناسب سازی آنها ادامه دارد.
سوالی که برای من پیش آمده این است که چند رشته در این پروسه سهیم هستند؟
پزشکی، مهندسی پزشکی، علوم کامپیوتر، هوش مصنوعی، الکترونیک و روباتیک. اینها شاید اصلی ترین ها باشند، البته علوم دیگری نیز مشغول به فعالیت هستند.
شما جراحی هم انجام می دهید؟
من یک دوره جراحی آموزش دیدم و با کمک استاد راهنما در سال های اول تحقیقاتم روی میمون ها و تاندون های آنها جراحی انجام می دادم و سنسورهای مختلفی را در عضلات آنها کار می گذاشتم. می خواستیم دقیقا با این کار سر منشا و روش حرکات بدن را درک کنیم.
و آزمایش های عملی که در مرکز شما انجام می شود، در چه مرحله ای است؟
به طور مثال آزمایش های خاصی که روی میمون ها در حال انجام است، ما میمون را روی یک صندلی نشاندیم و دست های میمون قابلیت حرکت ندارد، میمون گرسنه است.
البته قبلاروی مغز میمون توسط عمل جراحی یک مجموعه الکترود قرار داده شده و خروجی آن به یک بازوی روباتیک وصل است، میمون گرسنه ما با چند آزمایش روبه رو است، خوراکی ای کمی دورتر برای او قرار می دهیم و میمون سعی می کند بعد از سعی و تلاش فراوان آن را بگیرد. میمون بعد از کمی تلاش براحتی توانست بدون کمک از دست خود و با امواج مغزی، روبات را کنترل کند و خوراکی را بردارد در دهان خود قرار دهد.
همین طور آزمایش های اولیه ای که روی چند معلول داوطلب که قطع نخاع شده بودند، انجام گرفته است و با کمک بازویی روباتیک توانستند کارهایی مانند دست دادن و برداشتن اشیا را انجام دهند.
آینده را چگونه پیش بینی می کنید؟
همه فرمان ها از مغز انسان منشا می گیرد، شناخت ما از مغز و پیشرفت تکنولوژی سنسورها و الکترودهای مختلف برای این کار می تواند ما را به سمت کنترل کامل سیستم ها توسط امواج مغزی ببرد که این مساله می تواند توانایی بسیاری را برای معلولان، کم توانان و سالمندان فراهم کند و کیفیت زندگی آنها را بهبود بخشد، این
مساله زمینه تحقیقاتی بسیار مناسبی برای دانشجویان است.
من به شخصه فکر می کنم در 20 سال آینده معلولان با کمک فناوری های روباتیک و مهندسی پزشکی حتی براحتی بتوانند رانندگی نمایند و از تمام وسایل استفاده کنند.
روزنامه جام جم، شماره 3382 به تاریخ 21/1/91، صفحه 12 (ماشین)
