روباتيک به كمك معلولان می‌آيد

دكتر عليرضا كاكاوند، فارغ‌التحصيل رشته مهندسي پزشكي از دانشگاه ايالتي آريزونا و محقق در بيمارستان و مركز مغز و اعصاب فينيكس كه سال‌ها در زمينه‌هاي گوناگون علمي مرتبط با مهندسي پزشكي كار و تحقيق كرده، از معدود پژوهشگران ايراني است كه روي بازيابي امواج مغزي براي كنترل ابزار كار مي‌كند.

او مدت‌ها براي ناسا، آژانس هوافضايي ايالات متحده آمريكا در زمينه سلامت فضانوردان، پژوهش روي نحوه رشد سلولي در جاذبه مغز و طراحي سامانه حمايت از حيات لباس فضانوردي كار و تحقيق كرده است.

اما شايد هيجان‌انگيزترين زمينه فعاليت دكتر كاكاوند ، مطالعه براي شناخت و كنترل امواج مغزي به منظور هدايت و راهبري بازوهاي روباتيكي بوده كه مي‌تواند تحولي شگرف در كيفيت زندگي بشر به وجود آورد.

همچنين در صورتي كه اين ايده روزي محقق شود، مي‌توان انتظار داشت كامپيوترهاي آينده به جاي اتصال به برق، نياز داشته باشند تا روزي يك حبه قند در دهانشان بيندازيم.

امواج مغزي چگونه توليد مي‌شود؟

در مغز انسان و حيوانات سلول‌هاي بسياري هستند. ما به اين سلول‌ها به عنوان يك سوئيچ الكترونيكي نگاه مي‌كنيم كه يا روشن هستند يا خاموش. به يك سلول امكان دارد ورودي‌هاي زيادي برسد ولي روشن نشود. تا وقتي كه به حدي از ورودي‌هاي بيوالكتريك برسد يكدفعه روشن شده و بعد باز خاموش يا غيرفعال مي‌شود، بنابراين ما مي‌توانيم فركانس اين سلول‌ها را به صورت يك موج بررسي كنيم.

آيا بشر توانسته چگونگي عملكرد مغز را بفهمد؟

سلول‌هاي عصبي در يك شبكه بزرگ باهم كار گروهي مي‌كنند و بسيار فعال هستند. يك سلول از تعداد بي‌شماري سلول ورودي مي‌گيرد و همچنين به تعداد بي‌شماري سلول خروجي مي‌دهد و براي همين بررسي عملكرد اين شبكه سلولي يا شبكه عصبي بسيار پيچيده است. براي همين هنوز شناخت كاملي از كاركرد دقيق هر بخش و ويژگي‌هاي سلولي و عصبي حواس مثل بويايي شنوايي و... در دست نيست.

محققي مثل شما چگونه عملكرد مغز را بررسي مي‌كند؟

اين حواس هنگام عملكردشان امواج بيو الكتريكي از خودشان منتشر مي‌كنند و ما با بررسي محلي از مغز كه اين امواج از آن ساطع مي‌شود يك ايده كلي از كاركرد هر بخش مغز به دست مي‌آوريم. در قديم و حتي امروزه با وصل كردن الكترودهاي مختلفي به سر انسان در حالت‌هاي مختلف وضعيت امواج مغزي فرد بررسي مي‌شود، امواج مغزي در حالت‌هاي مختلف مثلا وقتي انسان خواب است با حالت‌هاي بيداري يا... متفاوت است.

فرآيند مطالعاتي شما چگونه بوده است؟

به طور مثال شما اگر بخواهيد يك ليوان را بر داريد، به كمك دست اين كار را انجام مي‌دهيد، دستي كه داراي عضلات بسياري است كه منقبض و منبسط مي‌شود و دست را به سمت جهت خاصي هدايت مي‌كنند، تمام اين اعمال توسط مغز كنترل مي‌شود، ضمنا اين كار را خيلي عادي انجام مي‌دهيد براحتي و مانند خيلي از كار‌هاي روزمره ديگر، اما ما مي‌خواستيم بدانيم مغز چطور اينقدر دقيق اين همه محاسبات را انجام مي‌دهد و فرمان را صادر مي‌كند، براي اين‌كه دقيق متوجه بشويم ما يكسري الكترودهاي سوزني را در مغز ميمون‌ها با جراحي كار گذاشتيم تا از تك‌تك سلول‌هاي مغزي اطلاعات جمع كنيم.

اختلاف پتانسيل بين سلول‌هاي مغزي مگر چقدر است كه مي‌توانيد با الكترود ولتاژ آن را بسنجيد؟

خيلي ضعيف است و بر اثر واكنش‌هاي شيميايي درون سلول به وجود مي‌آيد. ما اختلاف آن را با اختلاف پتانسيل محيط بيرون به كمك الكترودهايي كه مقاومت بسيار بالايي دارند، حس مي‌كنيم.

تحقيقات شما آيا يافته‌هاي نويني نيز در پي داشت؟

گروهي كه من هم عضوي از آن بودم طي سال‌هاي بسياري و قبل از حضور من و بعد از اين‌كه من هم از آن مركز رفتم، زير نظر استاد راهنماي من به طور بسيار هدفمند روي مغز مطالعه انجام مي‌دهند. در اين مدت ما دريافتيم بخشي از مغز كه حركت به جهات مختلف را هدايت مي‌كند با حركت ما به سمت‌هاي مختلف، سلول‌هاي آن سمت‌ها فعال‌تر مي‌شوند و صداي بسيار فعال‌تري را اگر به بلندگو وصل كنيد توليد مي‌كند (صداهايي مانند تق‌تق ولي بسيار شديد داراي نوسان در بخش‌هاي مختلف به نسبت كم و زياد شدن حركت به يك سمت خاص) و طرف مخالف صدايش كمتر مي‌شود.

ما اين قضيه را با معادلات كسينوسي مدل‌سازي كرديم، البته اين به آن معني نيست كه ما روش كار مغز را فهميديم بلكه فقط به يك ديدگاه رسيديم كه نوع فعاليت سلول‌هاي بخشي خاص كه در حركت به جهتي خاص اين‌گونه رفتار مي‌كنند را شناسايي كرديم.

با بررسي برآيند تمايل حركت هر سلول مغز و با استفاده از جمع‌برداري و يافتن برآيند كلي تمايل حركت مجموعه‌اي از سلول‌ها ما مي‌توانيم 150 ميلي ثانيه زودتر حركت فرد را پيشگويي كنيم و به طور مثال حدس بزنيم مي‌خواهد به چه فرمي برگه‌اي را امضا كند.

اين باعث شد ما تقريبا بتوانيم با بررسي عملكرد سلول‌ها جهت حركت را تقريبا تشخيص دهيم، مغز ميليون‌ها سلول دارد و جهت حركت بدن با بررسي يك سلول مشخص نمي‌شود. دستورات تا از مغز به نخاع و اعصاب و عضلات برسند حدود 100 تا 150 ميلي ثانيه به دليل واكنش‌هاي الكتريكي و شيميايي و كندي عملگرهاي بدن ما (ماهيچه‌ها) طول مي‌كشد و اين همان زماني است كه ما زودتر از حركت، از انجام آن واقف مي‌شويم.

پس ما چون داريم از مغز اطلاعات به دست مي‌آوريم مي‌توانيم حدود 100 تا 150 ميلي ثانيه زودتر بفهميم كه ميمون يا انسان قصد حركت به چه جهتي را دارند.

اين يافته‌ها به ساخت روبات‌ها چه كمكي مي‌كند؟

با استفاده از همين اطلاعات ما مي‌توانيم در كنترل بازوهاي روباتيك توسط ذهن موفق باشيم و با وصل كردن اين بازوها به بدن معلولان و شناختي كه از نوع حركات و زواياي بدن داريم بازو را با فرمان ذهني كنترل مي‌كنيم.

آيا اين كار قبل از شما نيز سابقه اجرا داشته است؟

از سال‌هاي بسيار قبل روي مغز و امواج مغزي تحقيقات گسترده‌اي انجام شده است، ولي اين‌كه روي حركت ابزار متصل به مغز كار كنند و ارتباط آن با مغز براي كنترل روبات‌ها، به نوعي توسط استاد راهنماي من و مركز ما صورت گرفت كه از 20 سال قبل روي آن تحقيقات را شروع كرديم و در سال‌هاي اخير به نتايج ارزشمندي رسيديم.

تا به حال از چنين دانشي، محصولي در قالب آزمايشگاهي يا توليدي ساخته شده است؟

در سطح آزمايشگاهي بله اما مساله‌اي كه هست و اين محصولات به توليد كلان نمي‌رسند به دليل الكترودهايي است كه بايد در مغز كار گذاشته شود، اين الكترودها هنوز قابليت اين‌كه طولاني مدت در مغز باشد يا در گستره زيادي از مغز قرار بگيرد را نداشته و مناسب نيست، ما اكنون بخوبي سلول‌ها را بررسي مي‌كنيم، اطلاعات را جمع‌آوري و پردازش مي‌كنيم و واقعا فكر مي‌كنم اين الكترودها اصلي‌ترين مشكل هستند كه تحقيقات براي مناسب‌سازي آنها ادامه دارد.

سوالي كه براي من پيش آمده اين است كه چند رشته در اين پروسه سهيم هستند؟

پزشكي، مهندسي پزشكي، علوم كامپيوتر، هوش مصنوعي، الكترونيك و روباتيك. اينها شايد اصلي‌ترين‌ها باشند، البته علوم ديگري نيز مشغول به فعاليت هستند.

شما جراحي هم انجام مي‌دهيد؟

من يك دوره جراحي آموزش ديدم و با كمك استاد راهنما در سال‌هاي اول تحقيقاتم روي ميمون‌ها و تاندون‌هاي آنها جراحي انجام مي‌دادم و سنسورهاي مختلفي را در عضلات آنها كار مي‌گذاشتم. مي‌خواستيم دقيقا با اين كار سر منشأ و روش حركات بدن را درك كنيم.

و آزمايش‌هاي عملي كه در مركز شما انجام مي‌شود، در چه مرحله‌اي است؟

به طور مثال آزمايش‌هاي خاصي كه روي ميمون‌ها در حال انجام است، ما ميمون را روي يك صندلي نشانديم و دست‌هاي ميمون قابليت حركت ندارد، ميمون گرسنه است. البته قبلا روي مغز ميمون توسط عمل جراحي يك مجموعه الكترود قرار داده شده و خروجي آن به يك بازوي روباتيك وصل است، ميمون گرسنه ما با چند آزمايش روبه‌رو است، خوراكي‌اي كمي دورتر براي او قرار مي‌دهيم و ميمون سعي مي‌كند بعد از سعي و تلاش فراوان آن را بگيرد. ميمون بعد از كمي تلاش براحتي توانست بدون كمك از دست خود و با امواج مغزي، روبات را كنترل كند و خوراكي‌ را بردارد در دهان خود قرار دهد.

همين‌طور آزمايش‌هاي اوليه‌اي كه روي چند معلول داوطلب كه قطع نخاع شده بودند، انجام گرفته است و با كمك بازويي روباتيك توانستند كارهايي مانند دست دادن و برداشتن اشيا را انجام دهند.

آينده را چگونه پيش‌بيني مي‌كنيد؟

همه فرمان‌ها از مغز انسان منشأ مي‌گيرد، شناخت ما از مغز و پيشرفت تكنولوژي سنسورها و الكترودهاي مختلف براي اين كار مي‌تواند ما را به سمت كنترل كامل سيستم‌ها توسط امواج مغزي ببرد كه اين مساله مي‌تواند توانايي بسياري را براي معلولان، كم‌توانان و سالمندان فراهم كند و كيفيت زندگي آنها را بهبود بخشد، اين مساله زمينه تحقيقاتي بسيار مناسبي براي دانشجويان است.

من به شخصه فكر مي‌كنم در 20 سال آينده معلولان با كمك فناوري‌هاي روباتيك و مهندسي پزشكي حتي براحتي بتوانند رانندگي نمايند و از تمام وسايل استفاده كنند.

منبع: جام جم