Zabudnuté heslo?
Prihlásenie

Nové grafénové senzory umožnia ovládať robota pomocou myšlienok

Nové grafénové senzory umožnia ovládať robota pomocou myšlienok
Autor:
Roman Mališka
Zverejnené:
24. 3. 2023
Hodnotenie:
Už ste hlasovali.

Vývoj špičkového grafénového senzora viedol k vytvoreniu rozhrania, ktoré dokáže presne ovládať robota len pomocou myšlienok. Tento vývoj môže mať pozitívne dôsledky nielen pre zdravotníctvo, ale aj pre celý rad ďalších odvetví.

Rozhrania mozog-stroj (Brain-Machine Interfaces - BMI) umožňujú človeku ovládať zariadenie pomocou mozgových vĺn. Ako hands-free a hlasové rozhrania majú BMI veľký potenciál na využitie v robotike, bionických protézach a autonómnych autách.

Systém BMI sa zvyčajne skladá z troch modulov: vonkajší senzorický podnet, senzorické rozhranie a jednotka, ktorá spracováva nervové signály. Zo všetkých troch je kľúčové snímacie rozhranie, pretože zisťuje elektrickú aktivitu generovanú najvzdialenejšou vrstvou mozgu, mozgovou kôrou, ktorá je zodpovedná za procesy vyššej úrovne, vrátane motorických funkcií.

Ale práve vizuálna kôra, časť mozgovej kôry, ktorá prijíma a spracováva informácie vysielané z očí, je kľúčová pre BMI, ktoré sa spoliehajú na vizuálne podnety. Zraková kôra sa nachádza na samom konci mozgu, v zátylkovom laloku.

Mozgové vlny sa zaznamenávajú prostredníctvom implantovateľných alebo nositeľných snímačov, ako sú elektroencefalografické (EEG) elektródy. Problémom pri používaní elektród EEG a iných neinvazívnych biosenzorov na zadnej strane hlavy je, že ide o oblasť zvyčajne pokrytú vlasmi.

Mokré snímače sa spoliehajú na použitie vodivého gélu na pokožke hlavy a vlasoch, čo však môže spôsobiť, že sa snímače budú pohybovať, keď sa bude človek pohybovať. Ako alternatíva sa môžu použiť suché senzory, ale aj tie majú problémy; sú menej vodivé ako mokré senzory a vzhľadom na zaoblený tvar hlavy môžu mať problémy s udržaním primeraného kontaktu.

Výskumníci z Technickej univerzity v Sydney vyriešili tieto problémy vývojom suchého biosenzora obsahujúceho grafén, jednoatómovú vrstvu uhlíkových atómov usporiadaných do šesťuholníkovej mriežky, ktorá je 1 000-krát tenšia ako ľudský vlas a 200-krát pevnejšia ako oceľ. Grafén je optimálny materiál na vytvorenie suchých biosenzorov vzhľadom na jeho tenkosť a vysokú elektrickú vodivosť. Je tiež odolný voči korózii a účinkom potu, takže je ideálny na použitie na hlave.

Výskumníci zistili, že kombináciou grafénu s kremíkom vznikol odolnejší suchý senzor. Vrstva grafénu na senzoroch, ktoré vyvinuli, je hrubá menej ako jeden nanometer.

Vedci použili grafén na vytvorenie senzora pre rozhrania mozog-stroj, ktoré umožňujú ovládať robota len pomocou myšlienok.

„Použitím špičkového materiálu grafénu v kombinácii s kremíkom sa nám podarilo prekonať problémy s koróziou, trvanlivosťou a odolnosťou voči kontaktu s pokožkou a vyvinúť nositeľné suché senzory,“ uviedla Francesca Iacopiová, zodpovedajúca autorka štúdie.

Výskumníci experimentovali s rôznymi vzormi senzorov vrátane štvorcov, šesťuholníkov, stĺpcov a bodiek a zistili, že senzory so šesťuholníkovým vzorom priniesli najnižšiu impedanciu na koži. Potom otestovali svoj nový senzor pomocou BMI.

Snímače so šesťuholníkovým vzorom sú umiestnené nad pokožkou hlavy v zadnej časti hlavy, aby detegovali mozgové vlny zo zrakovej kôry, a používateľ nosí okuliare pre rozšírenú reality, ktoré zobrazujú biele štvorce. Sústredením sa na konkrétny štvorec sa vytvoria mozgové vlny, ktoré zachytí biosenzor. Dekodér potom preloží tento signál na príkaz.

„Naša technológia dokáže vydať najmenej deväť príkazov za dve sekundy,“ povedal Chin-Teng Lin, spoluautor štúdie. „To znamená, že máme k dispozícii deväť rôznych druhov príkazov a operátor si môže v tomto časovom úseku vybrať jeden z týchto deviatich“.

Vojaci austrálskej armády vykonali reálny test BMI s grafénovým senzorom, pričom ho použili na ovládanie štvornohého robotického psa. Zariadenie umožnilo robotovi vydávať príkazy bez použitia rúk, a to s presnosťou až 94 %.

„Technológia bez použitia rúk a hlasu funguje aj mimo laboratórnych podmienok, kedykoľvek a kdekoľvek,“ povedala Iacopiová. „Vďaka nej sú rozhrania, ako sú konzoly, klávesnice, dotykové obrazovky a rozpoznávanie gest rukou, zbytočné“.

Výskumníci to však nepovažujú za konečnú iteráciu svojho návrhu. Je potrebný ďalší výskum a testovanie, aby sa dosiahla rovnováha medzi celkovou dostupnou plochou grafénu, schopnosťou prispôsobiť sa prítomnosti vlasov a schopnosťou udržať kontakt senzora s pokožkou hlavy.

Je to však sľubný krok smerom k vývoju technológie, ktorá by mohla byť veľkým prínosom pre ľudí so zdravotným postihnutím pri ovládaní invalidného vozíka alebo protézy, ako aj širším uplatnením v oblasti modernej výroby, obrany a letectva.

Štúdia bola nedávno uverejnená v ACS Applied Nano Materials.