แขนหุ่นยนต์แบบควบคุมด้วยจิตใจ โดยไม่ต้องฝังอุปกรณ์ในสมอง

คณะนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอน ร่วมกับมหาวิทยาลัยมินนิโซตา สร้างความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการพัฒนาระบบควบคุมหุ่นยนต์แบบไม่รุกล้ำเข้าสู่ร่างกาย (noninvasive) โดยใช้เทคโนโลยีสั่งการคอมพิวเตอร์ด้วยสมอง (brain-computer interface หรือ BCI) จากภายนอก เพื่อพัฒนาแขนหุ่นยนต์แบบควบคุมด้วยจิตใจ ที่สามารถตามรอยเคอร์เซอร์ของคอมพิวเตอร์ได้อย่างต่อเนื่อง

การควบคุมหุ่นยนต์แบบไม่รุกล้ำเข้าสู่ร่างกาย โดยใช้เพียงความคิดในการควบคุม จะเป็นประโยชน์ในการใช้งานที่หลากหลาย โดยเฉพาะสำหรับผู้ป่วยอัมพาต และผู้ที่มีอาการเคลื่อนไหวผิดปกติ

ที่ผ่านมา BCI แสดงประสิทธิภาพในการควบคุมหุ่นยนต์ได้ดี โดยใช้เพียงสัญญาณที่ส่งมาจากอุปกรณ์ที่ฝังอยู่ในสมอง เมื่อสามารถควบคุมหุ่นยนต์ได้อย่างแม่นยำ หุ่นยนต์ก็จะสามารถปฏิบัติภารกิจในชีวิตประจำวันได้อย่างหลากหลาย อย่างไรก็ดี ก่อนหน้านี้ BCI สามารถควบคุมแขนหุ่นยนต์ได้ เพราะใช้อุปกรณ์ที่ฝังอยู่ในสมอง ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้ต้องอาศัยความเชี่ยวชาญทางการแพทย์และศัลยกรรมอย่างมากในการติดตั้งและเพื่อการทำงานได้อย่างถูกต้อง โดยที่กล่าวมานี้ ยังไม่นับรวมถึงราคาและความเสี่ยงที่อาจเกิดกับผู้ป่วย และด้วยเหตุนี้เอง การใช้งาน BCI จึงจำกัดอยู่แค่ผู้ป่วยเพียงไม่กี่ราย

ความท้าทายที่สำคัญในการวิจัย BCI คือ การพัฒนาเทคโนโลยีที่มีการรุกล้ำเข้าสู่ร่างกายน้อยลง หรือไม่รุกล้ำเลย เพื่อช่วยให้ผู้ป่วยอัมพาตสามารถควบคุมสภาพแวดล้อมหรือแขนขาหุ่นยนต์ได้โดยใช้เพียง “ความคิด” ของตัวเอง หากเทคโนโลยี BCI แบบไม่รุกล้ำร่างกายนี้ประสบความสำเร็จ ก็จะเป็นประโยชน์ต่อผู้ป่วยจำนวนมาก และอาจรวมถึงประชาชนทั่วไปด้วยเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม BCI ที่รับรู้การสั่งการจากภายนอก ไม่ใช่จากอุปกรณ์ที่ฝังในสมอง จะได้รับสัญญาณที่ “เลอะเทอะกว่า” ซึ่งทำให้ความละเอียดและความแม่นยำในการควบคุมน้อยกว่า ดังนั้นหากใช้เพียงสมองควบคุมแขนหุ่นยนต์ BCI แบบไม่รุกล้ำก็จะทำงานได้ด้อยกว่าแบบที่ใช้อุปกรณ์ปลูกฝัง แต่ถึงแม้จะเป็นเช่นนี้ ทีมวิจัย BCI ก็ยังคงเดินหน้าพัฒนาเทคโนโลยีดังกล่าว ด้วยความมุ่งมั่นที่จะสร้างเทคโนโลยีที่มีการรุกล้ำเข้าสู่ร่างกายน้อยลง หรือไม่รุกล้ำเลย ซึ่งจะสามารถช่วยเหลือผู้ป่วยได้ในทุก ๆ ที่ และในทุก ๆ วัน

ปิน เหอ ศาสตราจารย์ทรัสตีและหัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมชีวเวช มหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอน กำลังบรรลุเป้าหมายดังกล่าวผ่านการค้นพบที่สำคัญในแต่ละขั้น

นายเหอกล่าวว่า “หุ่นยนต์ที่ควบคุมด้วยจิตใจโดยใช้อุปกรณ์ที่ฝังในสมองนั้น มีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงที่ผ่านมา และนี่คือความเป็นเลิศทางวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ดี เทคโนโลยีแบบไม่รุกล้ำเข้าสู่ร่างกายยังคงเป็นเป้าหมายสูงสุด ซึ่งความก้าวหน้าในการถอดรหัสทางประสาท และประโยชน์ที่ใช้ได้จริงของแขนหุ่นยนต์แบบไม่รุกล้ำ จะนำไปสู่การพัฒนาระบบประสาทจักรกลแบบไม่รุกล้ำในท้ายที่สุด”

นายเหอและทีมห้องปฏิบัติการของเขาใช้เทคนิคการรับรู้และการเรียนรู้ของเครื่องจักรกล (machine learning) ที่เป็นเทคนิคใหม่ ๆ จนสามารถเข้าถึงสัญญาณในระดับลึกของสมอง ทำให้สามารถควบคุมแขนหุ่นยนต์ได้โดยมีความละเอียดสูง ทั้งนี้ ด้วยการสร้างภาพสมองแบบไม่ต้องสอดใส่วัสดุในร่างกาย และกระบวนทัศน์การทำงานต่อเนื่องแบบใหม่ นายเหอจึงค้นพบสัญญาณคลื่นไฟฟ้าสมอง (EEG) ที่อึกทึก ซึ่งนำไปสู่การถอดรหัสทางประสาทจาก EEG ที่ดีขึ้นอย่างมาก และช่วยให้ควบคุมหุ่นยนต์แบบสองมิติได้อย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์

ในการทดลองใช้ BCI แบบไม่รุกล้ำเพื่อควบคุมแขนหุ่นยนต์ที่ตามรอยเคอร์เซอร์บนหน้าจอคอมพิวเตอร์นั้น นายเหอได้แสดงให้เห็นว่า แขนหุ่นยนต์สามารถตามรอยเคอร์เซอร์ได้อย่างต่อเนื่องเป็นครั้งแรก โดยก่อนหน้านี้แขนหุ่นยนต์ซึ่งมนุษย์เป็นผู้ควบคุมแบบที่ไม่ต้องฝังอุปกรณ์ในร่างกาย ยังมีอาการกระตุกและไม่ปะติดปะต่ออยู่บ้าง ราวกับว่าหุ่นยนต์กำลังพยายามทำตามคำสั่งของสมอง “ให้ทัน” แต่ขณะนี้แขนหุ่นยนต์สามารถตามเคอร์เซอร์ได้อย่างราบรื่นและต่อเนื่องแล้ว

รายงานที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science Robotics เผยว่า ทีมวิจัยได้สร้างกรอบการทำงานใหม่ที่ปรับปรุงองค์ประกอบ “สมอง” และ “คอมพิวเตอร์” ของ BCI ให้ดีขึ้น ด้วยการเพิ่มการฝึกฝนและการมีส่วนร่วมของผู้ใช้งาน ตลอดจนความละเอียดเชิงพื้นที่ของข้อมูลทางประสาทแบบไม่รุกล้ำผ่านการสร้างภาพจากคลื่นไฟฟ้าสมอง

งานวิจัยเรื่อง “การสร้างภาพสมองแบบไม่รุกล้ำช่วยปรับปรุงการตามรอยทางประสาทสำหรับการควบคุมหุ่นยนต์” (Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control) แสดงให้เห็นว่า แนวทางที่ไม่เหมือนใครของทีมวิจัยในการแก้ปัญหานี้ ไม่เพียงยกระดับการเรียนรู้ของ BCI ได้เพิ่มขึ้นเกือบ 60% สำหรับการสั่งงานออกจากศูนย์กลางแบบเดิม ๆ เท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงการตามรอยเคอร์เซอร์คอมพิวเตอร์อย่างต่อเนื่องได้เพิ่มขึ้นกว่า 500% อีกด้วย

เทคโนโลยีนี้มีรูปแบบการใช้งานที่สามารถช่วยคนได้หลากหลายกลุ่ม โดยทำให้ผู้ใช้งานสามารถ “ควบคุมจิต” ของหุ่นยนต์โดยไม่ต้องสอดใส่วัสดุในร่างกายและมีความปลอดภัยสูง ซึ่งจะช่วยให้ผู้ใช้สามารถมีปฏิสัมพันธ์และควบคุมสภาพแวดล้อมของตนเองได้ ขณะนี้เทคโนโลยีดังกล่าวผ่านการทดสอบในมนุษย์ที่มีร่างกายแข็งแรงดี 68 คน (ในแต่ละรายมีการทดลองมากที่สุดถึง 10 ขั้น) รวมทั้งการควบคุมอุปกรณ์เสมือนจริงและการควบคุมแขนหุ่นยนต์อย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีนี้สามารถใช้งานได้กับผู้ป่วยโดยตรง และทีมวิจัยวางแผนที่จะทำการทดลองทางคลินิกในอนาคตอันใกล้นี้

นายเหอกล่าวว่า “แม้ว่าการใช้สัญญาณแบบไม่รุกล้ำจะมีความท้าทายเชิงเทคนิค แต่เราก็มีความมุ่งมั่นอย่างแรงกล้าที่จะพัฒนาเทคโนโลยีที่ปลอดภัยและราคาประหยัดนี้ให้แก่ผู้ที่จะได้ประโยชน์จากเทคโนโลยี งานวิจัยนี้ถือเป็นก้าวที่สำคัญของเทคโนโลยีสั่งการคอมพิวเตอร์ด้วยสมองจากภายนอก โดยได้สร้างเทคโนโลยีที่วันหนึ่งอาจกลายเป็นเครื่องมือที่ช่วยเหลือทุกคนได้ และมีการใช้งานกันอย่างแพร่หลาย เช่นเดียวกับสมาร์ทโฟน”

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากองค์กรต่าง ๆ ได้แก่ National Center for Complementary and Integrative Health, National Institute of Neurological Disorders and Stroke, National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering และ National Institute of Mental Health