心で感じることができないものを把握するのはどれほど難しいことでしょうか?

SFドラマ「ラブ、デス＆ロボット」には、登場人物たちが頭に装着した装置を通じて心でモンスターを操り、互いに戦わせるエピソードがある。思考で制御できるこの装置は、脳コンピューターインターフェース（BCI）です。

主人公はヘッドマウントデバイスを介して心でモンスターをコントロールします | 「ラブ、デス＆ロボット」のスチール写真

心はそれをコントロールできるが、感情はない。

現在の脳コンピューターインターフェースの一部は、目で入力したり、サルが画面を見てゲームをしたりすることを可能にしますが、SFドラマのようにモンスターを操作して戦わせたり、落ちたカップをキャッチするなど、より高度な操作を伴う場合、触覚なしで行うことは困難です。

私たちは手足や手に感じる感覚を当たり前のこととして捉えており、それがどれほど重要であるかさえ認識していません。触覚フィードバックのない脳コンピューターインターフェースを使用すると、クレーンゲームを操作するようなものです。正しい場所を掴んでいますか?しっかり握れていますか？コントロールを失ってしまうのでしょうか?人形を突っついてみますか？分かりません。まったく感じられないものを把握するのは難しいのです。

脊髄損傷により運動能力を失った患者は、脳コンピューターインターフェースを使用して簡単な精神制御を実現できます。既存の脳コンピューターインターフェースは、主に視覚を使ってロボットアームを制御し、物体をつかんだり動かしたりしますが、人形をつかむときのように、実際につかんでいるという感覚がないため、動きが非常に不器用で遅くなります。脳コンピューターインターフェース実験に参加した患者は、「視覚的なフィードバックしかないと、手が物体に触れていることしか見えません。何かを拾うために手を使うと、時々落ちてしまいます」とも語った。

意識で機械を制御しながら、本当の感情を持つにはどうすればよいのでしょうか?その答えは、双方向の脳コンピューターインターフェース、つまり脳-マシン-脳です。脳の意識が機械を制御した後、機械は触覚刺激を脳にフィードバックしてリアルタイム制御を実現することもできます。

脳と機械と脳のほうが優れている

最近、米国ピッツバーグ大学の研究チームが、双方向脳コンピューターインターフェースの最新の研究結果をサイエンス誌に発表した。これにより、人は思考でロボットアームを制御して物を拾うことができ、同時に人間の脳に直接触覚フィードバックを与えることができる。

この研究に参加したネイサン・コープランドさんは、2004年に交通事故に遭い、麻痺患者となった。彼は手首、数本の指、肩の一部にしか感覚がない。彼は6年前から研究所の脳コンピューターインターフェース研究に参加し始めた。

コープランド氏は自分の心を使ってロボットアームを制御し、人と握手する | UPMC/ピットヘルスサイエンス

この実験の結果、彼は身体からの感覚情報を処理する脳の領域である脳の運動皮質と体性感覚層に同時に微小電極アレイを埋め込むことに世界で初めて成功した人物となった。このようにして、脳コンピューターインターフェースはロボットアームを操作するための動作の意図を解読できるだけでなく、触覚フィードバックを感じることも可能になります。

コープランド氏が初めて実験に参加したとき、彼は視覚に基づいてロボットアームを操作する従来の訓練を受けた。 3年後、コープランド氏は自分の頭脳を巧みに使ってロボットアームに球体を動かしたり、立方体をつかませたりできるようになりました。しかし、健常者であればわずか5秒程度で完了する掴む作業が、コープランド氏の場合は完了までに通常約20秒かかった。

視覚制御のみに基づく訓練はボトルネックに達したため、研究者らはコープランドがロボットアームから触覚フィードバックを受け取れるようにして、機械から脳への双方向のフィードバック経路を開くことにした。

触覚フィードバックを使用すると、同じタスクを完了するのにかかる時間が大幅に短縮されます。パフォーマンスが良好であれば、タスクは 4 秒以内に完了できます。参考文献 [1]

ロボットアームの指の付け根にトルクセンサーを追加して、指が動くときに発生する回転力を検出し、次に人間の指が圧力を感じたときに発生する電気信号をシミュレートすることで、その電気信号は脳コンピューターインターフェースを介してコープランド氏の頭皮内に埋め込まれた微小電極アレイに送信されます。このようにして、コープランドはロボットアームが触れた物体を感じることができる。

コープランド氏は、圧迫感とわずかなチクチク感に似た奇妙な触覚を経験した。この触覚フィードバックの強さは、手が対象物に加える力の大きさに応じて変化し、これにより彼は飛躍的にトレーニングを向上させることができました。以前なら、彼はためらいながら手探りしながら、本当に何かを掴んだのかどうか確かめようとしていただろう。今では触覚フィードバックのおかげで、つかむ作業を完了するのにかかる時間はわずか 10 秒で、時間が半分に短縮されました。

ロボットアームに追加された触覚センサーは、生体と同様の「リアルタイム伝導」を実現します。手のタッチに対する脳の遅延時間は約 30 ミリ秒で、センサーは 20 ミリ秒ごとに脳コンピューターインターフェースに信号を送信します。このリアルタイムのフィードバックは、コープランド氏にとって非常に自然に感じられます。「コントロールは非常に直感的なので、基本的にはただ物事について考えているだけですが、自分の腕を動かしているように感じます。」

触覚は現実ではないが、脳はつながっている

双方向の脳コンピューターインターフェースにより、人は思考でロボットアームを制御し、完全かつ自然な動きをすることができる。これは、麻痺した患者の運動能力の回復を支援する上で大きな前進である。

しかし、この脳コンピューターインターフェース技術には依然として多くの制限があり、被験者の脳に接続するには大型の有線機器が必要です。

昨年、マスク氏はコンパクトで軽量な無線接続デバイスを実演した。同様の機器が使用できれば、多くのトラブルが回避されるでしょう。

マスク氏はサルに心を使ってゲームをさせる。ここでの脳コンピューターインターフェースデバイスはワイヤレスです。 |ニューラリンク

さらに、触覚フィードバックのリアリティを向上させる必要があります。既存のセンサーでは、微妙な力を制御したり、実際の人間の手のように複雑なタスクを完了したりすることはまだできません。科学者たちは、患者の手足に電極を挿入し、外骨格を使用することで運動機能を回復できる可能性を研究している。おそらくいつの日か、麻痺した患者はロボットの腕ではなく、自分の手と足を操作できるようになるだろう。

将来的には、この技術により、多くの麻痺患者が、介護者に頼ることなく自分でコップに水を注いで口に運ぶなど、部分的な自由を獲得できるようになるかもしれない。このような「小さなこと」が、彼らの人生を変える「大きなこと」になることがあります。

参考文献

[1] Flesher SN、Downey JE、Weiss JM、他。触覚を喚起する脳コンピューターインターフェースはロボットアームの制御を改善する[J]。サイエンス、2021、372（6544）：831-836。

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

著者: ジア・ラン

編集者：シャオタオル、ユー・シヨウ