NEURO CONTROL IN EDUCATION ROBOTICS: THEORY AND PRACTICE.pdf Мировая образовательная робототехника переживает расцвет в последние 5-10 лет, что обусловлено массовым появлением на рынке доступных по цене робототехнических платформ (LEGO Mindstorms, Huno, FischerTechnik, Bioloid, Nao, DarWin-On, Parrot ArDrone, Pepper и др.) и обилием программного обеспечения, возможностью обмениваться идеями проектов, 3D моделями, открытыми кодами, распространенностью инструментов для прототипирования: 3D принтеров, сканеров, фрезеровальных и лазерных станков и т.д., как для покупки или аренды, так и в местах коллективного пользования (ЦМИТах, Кванториумах, бизнес-инкубаторах и технопарках, технических кружках и т.д.), стимулируют развитие также всевозможные конкурсы и тематические мероприятия разного масштаба - от мировых до региональных, где можно представить свой проект. Наиболее популярные всемирные соревнования: WRO, WorldSkills, CES, Maker Faire, CEATEC и т.п., всероссийские: отборочные этапы WRO и WorldSkills, Robotics Expo, Skolkovo Robotics, Политехнический музей, Бал Роботов и др. В последние несколько лет популярным становится также использование технологии управления различными устройствами и программным обеспечением при помощи «силы мысли» (нейроуправления) не только профильными организациями (реабилитационными, развлекательными, образовательными и т.п.), но и обычными пользователями. Широкие массы применяют нейропилотирование, преимущественно, в игровой сфере, однако многие специалисты прогнозируют, что профессия нейропилот войдет в список востребованных в ближайшие 10-15 лет [1], поэтому уже сейчас становится актуальным создание образовательных методик по обучению нейроуправлению. Интерфейс мозг-компьютер позволяет выполнять несколько задач одновременно, то есть можно говорить, жестикулировать, передвигаться в пространстве и т.д. и параллельно управлять необходимыми устройствами при помощи «силы мысли» (или контролировать и вмешиваться в процесс работы), это полезно как в быту, так и в многозадачных направлениях профессиональной деятельности. В ряде профессий очень важна скорость реакции, а устройства нейроуправления позволяют сэкономить время, отведенное на передачу информации от мозга к двигательным органам (например, чтобы нажать на кнопку «Стоп»), вместо этого команда передается сразу исполнительному механизму (например, автоматически закрывающемуся люку в связи с опасной утечкой вещества). Для людей не способных самостоятельно передвигаться или обслуживать себя (с рождения или в следствие приобретенных заболеваний, в том числе, повреждений, вследствие несчастных случаев) нейротехнологии открывают большие возможности самообслуживания, передвижения, общения и даже трудоустройства. Таким образом, обучение нейроуправлению, помимо улучшения качества самоконтроля и развития когнитивных способностей (на данный момент пункт про развитие когнитивных способностей спорный, однако, в ближайшие несколько лет разработчики соответствующего оборудования будут делать на него больший упор), позволяет рассчитывать прошедшим обучение школьникам на большую конкурентоспособность по завершении ими образовательного процесса. Совмещение образовательной робототехники и обучение нейропилотированию может оказать благотворное воздействие на обе эти отрасли: самостоятельно придуманный и собранный робот из деталей конструктора или разработанный и изготовленный с нуля, управляемый при помощи команд, идущих от мозга, поражает воображение и дает мощный стимул к развитию как для тех детей, которые еще не изучали робототехнику, так и для тех, кто забросил занятия из-за того, что стало скучно (а это распространенная проблема, о которой часто говорят преподаватели и родители таких школьников, особенно, если занятия проводить только на базе лего-роботов). Также некоторые школьники не хотят программировать - им кажется это сложным и неинтересным, но собирать, моделировать и изготавливать детали им нравится, но без программирования механизм не оживить, а значит не увидеть результат, но здесь также может помочь нейропилотирование - в программном обеспечении нейрогарнитуры можно выбрать необходимого робота, обозначить двигатели или сценарии поведения для роботов, запускать их при помощи нейроинтерфейса. Далее рассмотрим более подробно процесс нейропилотирования, необходимое оборудование и примеры занятий. Благодаря СМИ многие люди слышали об управлении программами или техническими устройствами при помощи «силы мысли», однако, так и не поняли, что же оно из себя представляет, ниже разберем этот процесс на составляющие. Итак, нейропилотирование - это технология, позволяющая, используя данные, получаемые от нейроинтерфейса, при помощи специализированного ПО управлять виртуальными объектами или робототехническими устройствами. Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) или интерфейс мозг - компьютер (ИМК) - это система, созданная для обмена информацией между мозгом и электронным устройством, например, компьютером. В основе нейрокомпьютерного интерфейса часто используется метод биологической обратной связи. Чаще всего для получения биологической обратной связи используют метод ЭЭГ. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) - электрическая активность мозга, регистрируемая с помощью электродов, расположенных на поверхности скальпа, и являющаяся результатом электрической суммации и фильтрации элементарных процессов в нейронах. Для снятия ЭЭГ необходимы: · Электроды для считывания сигнала. Минимальное количество - 2, в медицинских целях записи производят с помощью 21, 64 и 128 каналов, в пользовательских от 2-х. · Усилитель биопотенциалов, подключаемый к ПК. · ПК. · ПО для регистрации и обработки ЭЭГ, перевода сигналов в команды для исполнительных устройств (виртуальных объектов, роботов и т.д.). На сегодняшний день на рынке пользовательских нейрогарнитур представлено несколько наиболее популярных продуктов, ниже произведем их анализ. В качестве сравнительных характеристик можно использовать несколько ключевых: · Количество датчиков - с одной стороны, чем их больше, тем большее количество сигналов можно получить и обработать, с другой, излишне большое количество каналов делает прибор очень чувствительным и сложным в обслуживании, увеличивает вероятность ошибок и стоимость прибора. · Тип используемых электродов: мокрые или сухие; сухие электроды хороши тем, что их проще использовать - просто надеваешь гарнитуру и запускаешь программу, но у всех людей размер и форма головы различные, а это значит, что вряд ли гарнитура «сядет» идеально, кроме того, сцепление с поверхностью головы будет слабым, из-за этого будут высокое сопротивление и нестабильный сигнал, соответственно, качество соединения сильно пострадает. Для частичного решения этой проблемы выпускают игольчатые сухие электроды, но они стоят значительно дороже и давят на кожу, создавая у оператора дискомфорт, что не позволит пользоваться гарнитурой длительное время. Мокрые электроды требуют использования специального ЭЭГ геля или водно-солевого раствора, что требует немного большего времени на подготовку оператора, однако обеспечивает хороший контакт и длительное удержание сигнала, поэтому в медицинской электроэнцефалографии, преимущественно, используют мокрые электроды. · Количество и тип команд, которые можно передавать при помощи нейроинтерфейса - это достаточно субъективный показатель, так как на него влияет: количество и расположение датчиков (что позволяет считывать разные длины волн, стоит уточнить, что ээг-гаджеты, умеющие 2 электрода чисто технически не могут выделять более 2-х состояний - нейтрального и какого-то второго, зависящего от расположения датчиков, однако, производители часто вводят покупателей в заблуждение) и техники обучения оператора (производители используют различные методики), также стоит отметить, что большинство пользовательских гарнитур на самом деле в качестве основного используют не метод ЭЭГ, а опираются на гироскоп, акселерометр, магнитометр и др., и в качестве команд используют еще движения головой или мышцами, что не относится к нейроуправлению. · Цена - варьируется в зависимости от количества электродов и др. технических характеристик, а также идущего в комплекте программного обеспечения и его возможностей. Следует заметить, что все эти устройства каждый раз требуют калибровки, чтобы подстроиться под конкретного пользователя и его состояние в данный момент времени. EMOTIV Neurosky Mindwave BrainLink Lite Нейробелт Количество электродов 5 2 3 8 Тип датчиков сухие сухие сухие мокрые Количество и тип команд Одновременно только 2 команды от мозга (нейтральное состояние и другое) или мимические команды: улыбка, подмигивание, удивление, заинтересованность 2 2 от 2 до 8 команд, связанных с макросостояниями оператора Цена (тыс. руб.) 38-40 12-16 18,5 80 Назначение игровое, образовательное игровое игровое, медитативное медицинское, образовательное Выбор устройства следует осуществлять по всем вышеперечисленным показателям, а также в зависимости от целей использования. В случае, когда гарнитура нужна для пользовательского развлекательного формата, то достаточно будет и 2-х команд, в особенности, если игра предполагает элемент соревновательности. В качестве примера такого устройства можно привести набор «MindBall», если же устройство планируется использовать для серьёзного углубленного обучения и дальнейшего участия в соревнованиях, то, конечно, оно должно предоставлять большие управленческие способности и обеспечивать качество и стабильность сигнала. Далее приведем пример для проведения практических занятий по обучению нейропилотированию с помощью прибора «Нейробелт» по методическим указаниям сотрудника компании «Нейроботикс» А. Зонова. Данная система использовалась на первых Всемирных соревнованиях ассистивных технологий «Кибатлон» 2016 г. в Цюрихе. Спортсмен, выступавший от РФ в данном оборудовании, смог показать второй по скорости результат [2]. Также «Нейробелт» использовали для проведения всероссийских соревнований по управлению тараканами-киборгами сотрудники МТИ, так как организаторам было важно поддерживать стабильность и скорость управления. В составе комплекта «Нейробелт» [3] поставляется: ЭЭГ-шлем с пластиковыми держателями электродов, устройство регистрации «Нейробелт», набор электродов, приемопередатчик сигналов, подключающийся к компьютеру, блок питания для устройства регистрации «Нейробелт», ЭЭГ-гель, шприц для нанесения электропроводящего геля, установочный диск и руководство по эксплуатации. ПО в комплекте: «CyborgInteraction» и «BioEcho». ПО «CyborgInteraction» предназначено для регистрации и предварительной обработки, анализа и классификации состояний биопотенциалов головного мозга и формирования управляющих команд по состояниям. ПО «BioEcho» служит для преобразования управляющих команд (или их последовательности) по состояниям в произвольные команды для управления робототехническим устройством, а также программными виртуальными тренажерами. В зависимости от целей подготовки операторов выделяется 2 уровня сложности. Уровень сложности Базовый Продвинутый Количество состояний 2-3 4-5 Применение тест тренировочных программ «диаграммы», «умный дом» «диаграммы», тренажёр набора команд, игровые тренажёры: лабиринт, «умный дом» Общее количество тренировочных часов От 15 минут до 1-1,5 ч. в день 4-5 часов, 1-1,5 часа /день Результаты наработки состояний Произвольное удержание и переключение команд. Произвольное удержание и переключение команд. В качестве управляющих состояний используются: нейтральное, расслабления, концентрации, деконцентрации, выделения ментальной зоны. В ходе процесса обучения оператору необходимо освоить следующие составляющие команд: удержание, переключение, произвольное переключение, «слепое» переключение, управление объектом. Первое занятие (45 минут) может быть выстроено таким образом: 10-15 мин. - настройка ЭЭГ-оборудования, запись и тренировка 2-х состояний (нейтральное + любое второе, чаще в качестве второго выбирают расслабление или концентрацию) с помощью сценария «Диаграммы» в ПО «БиоЭхо» - 30-35 минут. Второе занятие включает уже запись и тренировку 2-3-х состояний и использование сценариев «Диаграммы», и «Лабиринт». Управление робототехническим устройством требует от 2-х и более команд (в случае 2-х состояний: нейтральное состояние - отсутствие команды, любое другое состояние - команда, например, выбрать сценарий «Приветсвие», когда лего-робот поздоровается и выведет на дисплей слово «Hello»), в зависимости от конструкции и пожеланий, так, например, управление квадракоптером или мобильной платформой требует освоения 4-х состояний, чтобы осуществить команды: Старт/Вперед, Вправо, Влево, Посадка/Стоп. Учащиеся 8-10-х классов по желанию (46 человек) Зеленоградской школы №6 18 в рамках профориентационных занятий при поддержке Зеленоградского Кластера освоили кратковременный курс «Основы робототехники и нейропилотирования» в объеме 6 ч. в течение нескольких недель под руководством сотрудников компании «Нейроботикс». Оборудование: 3 робота LEGO Mindstorms EV3, 3 набора «Нейробелт», 6 ПК. Первое занятие было посвящено знакомству с конструктором и сборкой простого мобильного робота по инструкции, второе занятие было направленно на освоение среды программирования и создания сценариев поведения роботов, третье занятие было посвящено освоению 3-х состояний сознания и применения полученных навыков для управления движением мобильной платформы: вперед, вправо, влево. По результатам было отобрано 15 самых старательных и способных школьников, с которыми было выстроено более углубленное обучение. В заключение отметим, что уже в ближайшие 10-20 лет мировое сообщество делает достаточно большую ставку на нейротехнологии. В интернете можно найти множество проектов [4], направленных на исследования работы мозга и превращение их результатов в комплекс коммерческих продуктов. Среди них можно выделить несколько глобальных: · Human Brain Project (2012 г.) - европейский проект, направленный на реконструкцию мозга путем моделирования миллиардов нейронов и их триллионов связей с использованием компьютеров. · BRAIN (2013 г.) - американский проект, направленный на разработку технологий для получения новой информации о функциональной структуре мозга с верхнего до нижнего уровня. Генерирует Big Data для HBP. · MINDS (2014 г.) - японский проект, направленный на исследование связи генома с поведением, психическими и нейродегенеративными заболеваниями человека (болезнь Альцгеймера, шизофрения, аутизм). Используются методы генной инженерии (разрушения и вставки генов) на человекообразных обезьянах (мартышках). Исследования проводятся на молекулярном и поведенческом уровнях. · China Brain (2015 г.) - китайский проект, направленный на создание нейроморфных систем, учитывающих строение мозга человека. Разработка AI для гражданского и военного применения под управлением частной компании (Baidu) и др. Все эти проекты направлены на понимание детальной анатомической структуры мозга и выявление закономерностей связей его функциональной структуры с психическими процессами (памятью, мышлением, восприятием и т.д.). Есть подобный проект и в РФ под названием «CoBrain». Он направлен на расширение ресурсов больного и здорового мозга человека через разработку высокоэффективных технологий от клеточного уровня до уровня целостного мозга, а также интеграцию мозга человека в информационные и технические среды различного уровня сложности. Это новые рынки и возможности будущего. Обучение школьников нейропилотированию уже в ближайшие годы даст им конкурентные преимущества, а использование роботов в качестве объектов управления сделает занятия более увлекательными и полезными.

Скачать электронную версию публикации