Stratégies cognitives pour augmenter le corps avec un bras robotique portable

Le neuro-ingénieur Silvestro Micera a développé des solutions technologiques avancées pour aider les personnes à retrouver les fonctions sensorielles et motrices perdues en raison d'événements traumatiques ou de troubles neurologiques. Jusqu’à présent, il n’avait jamais travaillé sur l’amélioration du corps humain et de la cognition à l’aide de la technologie.

Maintenant, dans une étude publiée dans Robotique scientifique, Micera et son équipe expliquent comment le mouvement du diaphragme peut être surveillé pour contrôler avec succès un bras supplémentaire, augmentant ainsi un individu en bonne santé avec un troisième bras, robotique.

“Cette étude ouvre de nouvelles opportunités passionnantes, montrant que des bras supplémentaires peuvent être largement contrôlés et qu'un contrôle simultané avec les deux bras naturels est possible”, déclare Micera, titulaire de la chaire de la Fondation Bertarelli en neuro-ingénierie translationnelle à l'EPFL et professeur de bioélectronique à la Scuola Superiore Sant. 'Anna.

L'étude fait partie du projet Third-Arm, qui vise à fournir un bras robotique portable pour aider dans les tâches quotidiennes ou pour aider à la recherche et au sauvetage. Micera estime que l’exploration des limites cognitives du contrôle du troisième bras pourrait en fait ouvrir la voie à une meilleure compréhension du cerveau humain.

Micera poursuit : « La principale motivation de ce contrôle du troisième bras est de comprendre le système nerveux. Si vous mettez le cerveau au défi de faire quelque chose de complètement nouveau, vous pouvez apprendre si le cerveau a la capacité de le faire et s'il est possible de faciliter ce contrôle. Nous pouvons ensuite transférer ces connaissances pour développer, par exemple, des appareils et accessoires fonctionnels pour les personnes handicapées, ou des protocoles de rééducation après un AVC.

“Nous voulons comprendre si notre cerveau est programmé pour contrôler ce que la nature nous a donné, et nous avons montré que le cerveau humain peut s'adapter pour coordonner de nouveaux membres en tandem avec nos membres biologiques”, explique Solaiman Shokur, co-chercheur de l'étude. et chercheur principal à l'EPFL à l'Institut Neuro-X.

“Il s'agit d'acquérir de nouvelles fonctions motrices, d'amélioration au-delà des fonctions existantes d'un utilisateur donné, qu'il s'agisse d'un individu en bonne santé ou handicapé. Du point de vue du système nerveux, c'est un continuum entre rééducation et augmentation.”

Pour explorer les contraintes cognitives de l'augmentation, les chercheurs ont d'abord construit un environnement virtuel pour tester la capacité d'un utilisateur sain à contrôler un bras virtuel en utilisant le mouvement de son diaphragme. Ils ont constaté que le contrôle du diaphragme n'interfère pas avec des actions telles que le contrôle des bras physiologiques, de la parole ou du regard.

Dans cette configuration de réalité virtuelle, l’utilisateur est équipé d’une ceinture qui mesure le mouvement du diaphragme. Portant un casque de réalité virtuelle, l'utilisateur voit trois bras : le bras et la main droits, le bras et la main gauche, et un troisième bras entre les deux avec une main symétrique à six doigts.

“Nous avons rendu cette main symétrique pour éviter tout biais vers la main gauche ou vers la droite”, explique Giulia Dominijanni, Ph.D. étudiant à l'Institut Neuro-X de l'EPFL.

Dans l'environnement virtuel, l'utilisateur est alors invité à tendre la main soit avec la main gauche, soit avec la main droite, soit au milieu avec la main symétrique. Dans l’environnement réel, l’utilisateur tient un exosquelette avec les deux bras, ce qui permet de contrôler les bras virtuels gauche et droit. Le mouvement détecté par la ceinture autour du diaphragme est utilisé pour contrôler le bras symétrique central virtuel. La configuration a été testée sur 61 sujets sains au cours de plus de 150 séances.

“Le contrôle du diaphragme du troisième bras est en réalité très intuitif, les participants apprenant très rapidement à contrôler le membre supplémentaire”, explique Dominijanni. “De plus, notre stratégie de contrôle est intrinsèquement indépendante des membres biologiques et nous montrons que le contrôle du diaphragme n'a pas d'impact sur la capacité d'un utilisateur à parler de manière cohérente.”

Les chercheurs ont également testé avec succès le contrôle du diaphragme avec un véritable bras robotique, un bras simplifié constitué d'une tige qui peut être étendue vers l'extérieur et vers l'intérieur. Lorsque l'utilisateur contracte le diaphragme, la tige est déployée. Dans une expérience similaire à l'environnement VR, il est demandé à l'utilisateur d'atteindre et de survoler des cercles cibles avec sa main gauche ou droite, ou avec la tige robotique.

Outre le diaphragme, mais non rapportés dans l'étude, les muscles vestigiaux de l'oreille ont également été testés pour déterminer leur faisabilité dans l'exécution de nouvelles tâches. Dans cette approche, un utilisateur est équipé de capteurs auriculaires et entraîné à utiliser les mouvements fins des muscles de l’oreille pour contrôler le déplacement d’une souris d’ordinateur.

“Les utilisateurs pourraient potentiellement utiliser ces muscles de l'oreille pour contrôler un membre supplémentaire”, explique Shokur, soulignant que ces stratégies de contrôle alternatives pourraient un jour aider au développement de protocoles de rééducation pour les personnes souffrant de déficiences motrices.

Faisant partie du projet du troisième bras, des études antérieures concernant le contrôle des bras robotiques se sont concentrées sur l'aide aux amputés. Le dernier Robotique scientifique l’étude est une étape au-delà de la réparation du corps humain vers l’augmentation.

“Notre prochaine étape consiste à explorer l'utilisation de dispositifs robotiques plus complexes utilisant nos différentes stratégies de contrôle, pour effectuer des tâches réelles, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur du laboratoire. Ce n'est qu'alors que nous pourrons saisir le réel potentiel de cette approche”, ” conclut Micera.