Лига Биоников

Но начнем с теории.

Нейроинтерфейс (или интерфейс «мозг – компьютер») – так называется устройство для обмена информацией между мозгом и внешним устройством. В качестве объекта управления может выступать не только компьютер, но и любое другое электронное устройство: квадрокоптер, система «умного дома», промышленный робот или боевой дрон, экзоскелет и даже искусственные органы чувств.

Медицина на данный момент является основной областью применения нейроинтерфейсов. Здесь интерфейс «мозг – компьютер» открывает новые возможности в области протезирования и реабилитации инвалидов с различными моторными нарушениями. Например, после инсульта многие пациенты не могут говорить. В этой ситуации нейроинтерфейс выступает умным посредником между мозгом и внешней реальностью, единственным средством общения. Парализованные пациенты с помощью такого устройства могут управлять протезом и инвалидной коляской или даже механическим экзоскелетом.

Пользователь и нейрокомпьютерный интерфейс работают вместе. Пользователь после периода обучения начинает генерировать сигналы мозга, которые кодируют намерение, а нейрокомпьютерный интерфейс , также после обучения, обнаруживает эти сигналы, декодирует и переводит их в команды на устройство вывода, которое выполняет намерение пользователя.

Нейроинтерфейсы бывают инвазивные и неинвазивные. Инвазивные это те что внедряются в череп. Они очень сложны и опасны в использовании и установке. Наш нейроинтерфейс неинвазивный и полностью безопасный.

На фото ниже вся эволюция нейроинтерфейсов и можно заметить что они все примерно одинаковые по топологии.

Неинвазивный нейроинтерфейс не предполагает вторжения в организм – электроды прикрепляют к коже головы. Несмотря на то что мозг располагается глубоко в черепе, электрические поля, создаваемые нервными клетками, улавливаются электродами на поверхности головы. Этот метод уже давно применяется при снятии электроэнцефалографии.

На данный момент существует 2 пути реализации работы нейроинтерфейсов: через дешифровку сигналов мозга и через двойную шифрацию сигнала.

Прямая дешифровка однозначно более перспективный путь, но и многократно сложнее в реализации. На данный момент, несмотря на то что общие принципы работы контуров мозга более-менее изучены, более сложные структуры и их алгоритмы изучены не очень подробно и не пока не известно как можно «загружать» нужную информацию в нужные узлы или же дублировать их электронным аналогом. Поэтому аналитическая дешифровка и затруднена, хоть и возможна, что можно увидеть в самых современных проектах . Это протезы с ОС, о которых написано выше, усилители памяти, контролеры эмоций и «привязанностей» .

При двойной шифрации, которую в основном и используют, не пытаются определить что именно значат каждый сигнал, а просто, собирая статистику таких сигналов, выделяют его и маркируют под определенную задачу.

Такие интерфейсы наиболее хорошо отработаны, повторяемы в реализации и относительно распространены. Именно через этот метод и работают ms-04

А теперь разобравшись в теории рассмотрим подробнее модели нейроинтерфейсов — ms-04a и ms-04b

MS-04а

Данный нейроинтерфейс сделан на универсальной нейрооснове. На ней можно также сделать и нейростимулятор, путем просто замены электроники на затылке.

В качестве основного материала каркаса выбрал PLA пластик. Выбор был сделан в пользу PLA благодаря его свойству биоразложения. Каркас производится методом 3д печати.

Твердые электроды представляют собой пластинки из нержавеющей стали. Электрическая составляющая полностью загерметизирована внутри каркаса. На затылке находится электронная начинка, включающая в себя блитуз модуль и усилитель-АЦП ЭЭГ сигнала.

В качестве особенностей можно выделить следующее:

1.Один канал ЭЭГ + референсный датчик + заземление (прищепки)

2.Распознавание экстремально низкого уровня сигнала

3. Фильтр с высокой сопротивляемостью шумам

4. Использована универсальная основа.

5. Расщепление спектра. Считывание происходит с 4 датчиков.

Анализируется следующая информации :

1.Исходная электроэнцефалограмма (сырец сигнал)

2.Определяются следующие мозговые волны: Дельта, Тета, Низкие Альфа, Высокие Альфа, Низкие Бета, Высокие Бета, Гамма

Имеется специальное ПО как для ПК так и для телефонов.

Кроме того имеется SDK для всех платформ (андроид, ios, win)

Связь с компьютером происходит через блитуз 5.0. Иные версии блитуза работают нестабильно или не работают совсем.

Питание 2 батарейки AAA

После многочисленных тестов с этой моделью было найдено более оптимальное дизайнерское решения для корпуса.

Данная модель обладает куда более меньшим корпусом. При этом он более удобен для настройки под размеры головы, благодаря раздвижным элементам корпуса. Кроме того в этой модели возможно снятие сигнала с более высоко расположенных участков мозга, а не только с лобных долей.

Технические параметры такие же как и в предыдущей модели — начинка осталась такая же.

1.Один канал ЭЭГ + референсный датчик + заземление (прищепки)

2.Распознавание экстремально низкого уровня сигнала

3. Фильтр с высокой сопротивляемостью шумам

4. Использована универсальная основа.

Анализируется следующая информации :

1.Исходная электроэнцефалограмма (сырец сигнал)

2.Определяются следующие мозговые волны: Дельта, Тета, Низкие Альфа, Высокие Альфа, Низкие Бета, Высокие Бета, Гамма

Связь с компьютером/телефоном происходит через блитуз 5.0. Иные версии блитуза работают нестабильно или не работают совсем.

Питание 1 батарейка cr2032

Спасибо за внимание. Подробнее про такие устройства как обычно тут
https://vk.com/exomech

https://www.facebook.com/Exomech

https://www.instagram.com/exomech_official
Кроме того есть специальный бионическо-экзоскелетный дискорд канал

https://discord.gg/pMZN7TM

Схема этого датчика очень простая и является просто обвязкой ИУ. Рассмотренный здесь сверхпростой мышечный датчик ЭМГ значительно облегчает начало освоения бионики. В нем используется сверхпростая схема усилителя из трех компонентов, состоящая из инструментального усилителя INA128 (ИУ), конденсатора и выпрямительного диода для выпрямления полуволнового сигнала (который в основном удаляет весь сигнал отрицательного напряжения, чтобы не повредить аналоговый сигнал). Выход идет на контроллер.

Инструментальный усилитель усиливает сигнал, поступающий на дифференциальные входы и вычитает синфазный сигнал, что приводит к частичному подавлению шума, представленного на обоих каналах. В схеме датчика используется реактивное сопротивление конденсаторов, прикрепленных к контактам УА, которые устанавливает регулируемое частотно-зависимое усиление, тем самым усиливая только более высокие частоты и, таким образом, создавая эффект, аналогичный фильтру высоких частот. Сопротивление конденсаторов (который обратно пропорционален усилению ИУ) рассчитывается из следующего уравнения

Сопротивление= 1 / (2 * PI * Частота * Емкость)

Для датчика ЭМГ требуется 3 электрода: отрицательный, положительный и заземляющий, при этом положительный и отрицательный электроды расположены рядом друг с другом и разделены зазором в 1 см. Эти электроды размещаются над мышцами, за которыми вы хотите наблюдать, а заземляющий электрод - на костной областью с минимальной активацией мышц или без нее. Точное расположение электродов можно определить методом проб и ошибок и никак иначе, к сожалению. Используемые электроды были диаметром 30 мм и были от миостимулятора. Но подойдут любые электроды от ЭКГ.

Единственные дополнение, которого нет в схеме, чтобы увидеть сигнал ЭМГ, - это источник напряжения 5 В для питания вашего датчика. Можно взять прямо с арудино. Сигнал EMG не будет впечатляющим, но достаточно хорошим для некоторых простых приложений. Если вы просто видите шум, возможно, в вашей комнате слишком много мощных электроприборов. Если вы решите запитать эту схему от сетевого блока питания, то это также может быть причиной очень шумного сигнала.Лучше питать от батареек или же иных хорошо стабилизированных источников.

Амплитуда сигнала ЭМГ с течением времени является хорошим индикатором мышечной активности, поэтому простое сжатие мышц виртуальную кнопку ввода. Представьте, что вы сжимаете бицепс, и рука робота сжимается. Вы даже можете комбинировать несколько датчиков для большего контроля, например, по одному на каждом бицепсе, чтобы контролировать левую и правую стороны автомобиля с дистанционным управлением или робота.

Если вы хотите делать более сложные вещи с помощью ЭМГ , вам нужно будет изучить расширенную обработку сигналов и и фильтрацию сигналов, но для простых вещей достаточно и этого.

Печатная плата датчика очень маленькая

А в готовом виде он выглядит вот так. Размер около 1 см * 1 см.

https://vk.com/exomech

https://www.facebook.com/Exomech

https://discord.gg/pMZN7TM

Спасибо за внимание!

Разработчика зовут Вимал Говинд Маникандан (Vimal Govind Manikandan).По словам Маникандана, его костюм вдохновлён фильмом «Аватар» режиссёра Джеймса Кэмерона. Сам экзоскелет весит около 100 килограммов и может поднимать вес до 150 килограммов.

Сборка устройства обошлась команде Маникандана всего в 750 долларов при том, что самые дешёвые аналоги стоят десятки тысяч долларов. У костюма есть два существенных недостатка: из-за большого веса в нём невозможно быстро передвигаться, а питания от батарей хватает только на небольшое время. Работает он на пневматике.

Основной результат моей работы с лета по осень это была унифицированная основа для нейроустройств, а вовсе не нейростимулятор. На ней можно сделать как и прекрасный, явно не уступающий иностранным, tDCS стимулятор лобных долей, так и функциональный 4-х канальный нейроинтерфейс. Обычные нейроинтерфейсы имеют 1-2 канала, более считается излишним. То есть это как бы унифицированная база. Возможно преобразование в многие устройства использующие нейротехнологии.

Основа состоит из нескольких элементов: каркас, регулировочные болты и внутренняя проводка.

1.Корпус печатный. Материал PLA. Состоит он из 3-х частей: 2 боковых элемента и затылочная часть. В затылочной части имеется специальная площадка для установки электроники и элементов питания. Боковые элементы имеют по 2 группы держателей входных электродов. Они позволяют охватить всю лобную долю мозга.

2. Регулировочные болты. Болты врезаны в корпус и нужно приложить хорошую силу чтоб их выломать. Позволяют регулировать размеры интерфейса под любые головы. Такого лично я не видел ни у кого. Кроме того позволяют разобрать всё на простые элементы.

3. Внутренняя проводка. Врезана в корпусе и залита компаундом. Вырвать или повредить невозможно (без разрушения корпуса). На участке регулировочных болтов имеется штекерное соединение для разборности.

Основа является готовым скелетом для любых нейроустройств, но сама нейроустройством не является. Можно сказать что основа является материнской платой для проектируемых нейросистем и на неё надо установить всё дополнительно, дабы придать функционал.

Чтобы придать свойство стимулятора мозга способного улучшить настроение и уменьшить воздействие от вредных привычек нужно установить контролер тока, элементы питания и хитрые мягкие электроды. Вот в этой статье можно прочитать подробней про разработанный нейростимулятор.

Чтобы преобразовать это в нейроинтерфейс нужно докупить модули усиления и анализа ээг и блитуз модуль. Ну и опять же установить мягкие электроды. Работать он будет в качестве устройства снятия данных с мозга, но не управления чем то. То есть получив данные на ПК нужно будет их как то преобразовать и куда то направить. Это более чем просто - самый первый пост в нашей группе вк как раз про это

Сделано было уже очень много таких основ и, можно сказать что налажено, производство.

Спасибо за внимание. Более подробно про это и иные бионические устройства  можно прочитать тут

https://vk.com/exomech

https://www.facebook.com/Exomech

И наш дискорд

https://discord.gg/pMZN7TM