Цифровой журнал «Компьютерра» № 195 - Коллектив Авторов

«Мне трудно понять, с какой силой надо сжимать искусственные пальцы. Когда я беру товар в магазине с полки, то нередко роняю его. Дома тарелки выскальзывают и бьются. Вместо того чтобы взять фрукт, я могу смять его. Если бы мой протез позволял чувствовать, я был бы очень рад этому и просто брал бы им любые предметы не задумываясь».

Группа исследователей из двух университетов провела серию экспериментов, в которых смогла добиться передачи электрических сигналов от группы датчиков непосредственно в сенсорную область коры больших полушарий у макак-резусов. Более того, лабораторные животные смогли успешно интерпретировать эти сигналы как тактильные ощущения от различных частей руки. Для этого импульсы направлялись к разным участкам сенсорной зоны.

Схема эксперимента: рецептивные поля и нейроимплант в районе центральной борозды (изображение: Gregg A. Tabot et al.).

В другом исследовании группа макак подобным образом успешно определяла силу давления. Разумеется, мы не знаем наверняка, что чувствовали обезьяны. Однако по их поведению мы можем довольно уверенно судить о том, что в эти моменты они ощущали аналоги прикосновений.

Пока это лишь первые шаги на пути к созданию протеза с тактильной обратной связью. На данном этапе существует проблема со скоростью передачи сенсорных импульсов в мозг. Задержка ещё слишком велика, чтобы говорить о взаимодействии в реальном времени. 

Сначала происходит касание, затем обрабатывается информация от датчиков. На её основании кодируется и передаётся в мозг электрический сигнал, распознаваемый как тактильное ощущение. На каждом этапе тратятся доли секунды, но в результате реакция в целом выглядит заторможенной. Исследователи ищут способы уменьшить латентность системы.

В случае удачи созданный в Университете Джонса Хопкинса протез станет самым чувствительным среди всех аналогичных разработок. На нём разместят более сотни датчиков давления и температуры. Их количество кажется внушительным, если не сравнивать с кожей. Всего в ней содержится около 4 млн различных рецепторов, а их плотность измеряется десятками и сотнями на квадратный сантиметр.

Схема протеза руки с датчиками трёх типов (ранняя версия, изображение: Jasiek Krzysztofiak / Johns Hopkins University Applied Physics Lab.).

Чтобы хоть как-то приблизить искусственную руку к такой чувствительности, практически все датчики будут расположены на ладонной поверхности кисти.

Биомедицинский инженер Роберт Кирш (Robert Kirsch), работающий в частном Кливлендском университете, высоко оценил важность разработки протезов с функцией осязания на страницах издания Nature:

«Вероятно, это следующая большая революция, которая должна произойти».

До сих пор исследователям удавалось считывать только общую и сильно упрощённую картину мозговой активности. Теперь перед ними стоит ещё более сложная задача — научиться передавать информацию о внешнем мире непосредственно в мозг, кодируя её в виде электрических сигналов.

Привычные тактильные ощущения только кажутся простыми по своей природе. В их основе всегда лежит сложный процесс наложения сигналов от разных рецепторов в коже, мышцах и сухожилиях. Только реагируя вместе, они вызывают характерное чувство. Просто коснувшись любой поверхности, вы сразу можете описать её как твёрдую или мягкую, гладкую или шероховатую, тёплую или холодную, сухую или влажную. Для бионики будет прорывом, если протез сможет передавать хотя бы часть ощущений.

Прототип протеза руки с возможностью передачи тактильных ощущений (изображение: Johns Hopkins University Applied Physics Lab.).

Перед запуском в производство такого протеза его создателям предстоит гораздо более долгий путь согласования с федеральными контролирующими органами в сфере здравоохранения, чем это принято для обычных новых моделей. Впервые протез руки потребует вмешательства нейрохирурга для имплантации электродов в мозг пациента.

Прежде чем начнётся этап клинических исследований с участием добровольцев среди людей, должна пройти ещё не одна серия экспериментов на лабораторных животных. Как и в любом инвазивном методе, есть риск травмы, развития инфекций и неучтённых отдалённых последствий.

Как отдельная проблема указывается калибровка системы. Электрические сигналы от протеза наверняка будут более грубыми раздражителями, чем естественные тактильные ощущения. Для каждого пациента придётся подбирать пороговые уровни и характеристики сигналов, чтобы они достоверно различались, а также не воспринимались как болевые или неприятные.

Кроме того, пока не ясно, как долго сможет проработать такой протез без обслуживания. Никому не захочется ложиться на повторную операцию, чтобы заменить вышедший из строя имплантат или обновить его прошивку.

К оглавлению

Виртуальная реальность: на пути к Шлему Ужаса

Андрей Васильков

Опубликовано 14 октября 2013

На прошлой неделе отмечался самый неоднозначный праздник — Всемирный день психического здоровья. Самое время обратить внимание на технические новинки, способные его серьёзно подорвать. Главными из них многие считают доступные системы виртуальной и дополненной реальности, которые разные производители начнут серийно выпускать уже в следующем году.

Про очки дополненной реальности Google Glass «Компьютера» писала уже не раз. Сегодня основное внимание приковано к другой новинке — шлему виртуальной реальности Oculus Rift. Он пока доступен только в версии для разработчика за 300 долларов, но это не мешает восторгаться им и одновременно опасаться его уже сейчас.

Oculus Rift на Eurogamer Expo 2013 (фото: eurogamer.net).

Журналист Ник Билтон (Nick Bilton) поделился на страницах New York Times свежими впечатлениями, которые оказались довольно противоречивыми. Первое, что отметили и он, и большинство других ранних адептов VR, — это чувство глубокого погружения в виртуальность из-за качественного изображения, широкого поля зрения и визуальной изоляции от внешнего мира.

Во время демонстрации шлема Ник сидел в конференц-зале отеля — при этом сохранил самое отчётливое воспоминание о том, как он бродил по двору древнего замка и даже рефлекторно пытался закрыться рукой от падающего виртуального снега.

Взгляд через Oculus Rift (фото: Nick Bilton)

К сожалению, он также отметил, что в таком шлеме очень быстро возникает дезадаптация и чувство сильной тошноты. Этот эффект объясняется временными нарушениями сенсорной интеграции. По своей сути это «морская болезнь наоборот».

В лодке вы постоянно чувствуете качку внутренним ухом. Объекты вдали также качаются, но близкие предметы остаются почти неподвижными относительно вас. Мозг теряется в противоречивых ощущениях, происходит раздражение центров продолговатого мозга и появляется тошнота.

Из-за неполной симуляции в виртуальной реальности возникает обратная ситуация: вы видите очень реалистичный экшен от первого лица и слышите массу игровых звуков, но тело не ощущает совершенно никакого физического воздействия. 

Виртуальные гонки с Oculus Rift (кадр из деморолика).

Если жалобы у обозревателей появились уже через несколько минут, то каких изменений в состоянии (психического) здоровья ждать в ближайшем будущем у заядлых игроков? Впрочем, есть альтернативные разработки, по сравнению с которыми Oculus Rift покажется безобидной погремушкой.

Проекция на зеркало души

Компания Avegant создала прототип очков виртуальной реальности с мини-проекторами, которые формируют изображение (с разрешением 2 × 1280 × 768) непосредственно на сетчатке каждого глаза.

Прототип проекционных очков виртуальной реальности Avegant (фото: cnet.com).

По словам генерального директора Avegant Эда Танга (Ed Thang), такая картинка выглядит ещё более реалистичной. В ней полностью отсутствуют типичные даже для дорогих ЖК-мониторов артефакты, а эффективное разрешение получается выше:

Человек видит физические предметы при попадании отражённого от них света на сетчатку. До сих пор во всех системах виртуальной реальности не удавалось имитировать отражённый свет. Применялись разные оптические ухищрения, чтобы добиться более или менее реалистичного изображения от миниатюрных ЖК-экранов, расположенных прямо перед глазами. В разработке Avegant изображение формируется прямо на сетчатке. Это гораздо ближе к восприятию реальных объектов. По ощущениям разница между нашими очками и Oculus Rift примерно такая же, как вид из окна и картинка на экране телевизора.