Questo liceale ha inventato un braccio protesico a basso costo con controllo mentale
Il diciassettenne Benjamin Choi ha messo a frutto il suo tempo libero durante la pandemia progettando un dispositivo accessibile che non richiede un intervento chirurgico al cervello
Benjamin Choi è stato uno dei primi 40 finalisti della Regeneron Science Talent Search di quest’anno, la più antica e prestigiosa competizione scientifica e matematica per studenti delle scuole superiori del paese. Società per la scienza
Dieci anni fa, quando Benjamin Choi era in terza elementare, ha visto un documentario “60 Minutes” su una protesi controllata dalla mente. I ricercatori hanno impiantato minuscoli sensori nella corteccia motoria del cervello di una paziente che ha spostato un braccio robotico usando solo i suoi pensieri. Choi era affascinato dal concetto, paragonandolo a qualcosa di un film di Star Wars .
“Ero davvero, davvero sbalordito in quel momento perché questa tecnologia era così impressionante”, dice. “Ma ero anche allarmato dal fatto che richiedano questo intervento chirurgico al cervello aperto davvero rischioso. E sono così inaccessibili, che costano centinaia di migliaia di dollari”.
Anni dopo, quando la pandemia ha colpito nel 2020, Choi, un alunno di decima elementare che vive in Virginia, si è ritrovato improvvisamente con ampio tempo libero. Il laboratorio in cui aveva programmato di trascorrere l’estate alla ricerca di combustibili a base di alluminio era stato chiuso. Ma il documentario che aveva visto anni prima gli è rimasto impresso e ha deciso di usare il suo tempo libero per costruire lui stesso un braccio protesico meno invasivo.
Nel suo laboratorio improvvisato sul tavolo da ping-pong nel suo seminterrato (dove a volte lavorava 16 ore al giorno!), Choi ha progettato in modo indipendente la prima versione del suo braccio robotico usando la stampante 3-D da $ 75 di sua sorella e della lenza. La stampante non è stata in grado di costruire pezzi di oltre 4,7 pollici di lunghezza, quindi Choi ha stampato il braccio in piccoli pezzi e l’ha imbullonato ed elastico insieme. In totale, ci sono volute circa 30 ore per la stampa. Questa versione ha funzionato utilizzando i dati delle onde cerebrali e i gesti della testa e Choi ha pubblicato istruzioni online affinché chiunque possa costruirne una propria.
Ha avuto alcune precedenti esperienze nella costruzione di robot e nella programmazione, partecipando a robotica competitiva a livello di scuola elementare, media e superiore, partecipando anche più volte ai campionati del mondo. A partire dalla terza media, ha imparato da autodidatta i linguaggi di programmazione per computer Python e C++ guardando video su Stack Overflow, un sito web per programmatori.
Il braccio robotico di Choi costa solo $ 300 per la produzione. Società per la scienza
Dopo più di settantacinque iterazioni di progettazione, il braccio robotico non invasivo e controllato dalla mente di Choi è ora realizzato con materiali di qualità ingegneristica in grado di sopportare pesi fino a circa quattro tonnellate. Funziona utilizzando un algoritmo guidato dall’intelligenza artificiale (AI) che interpreta le onde cerebrali di un utente. E la produzione costa solo circa $ 300, un enorme risparmio rispetto a ciò che è attualmente sul mercato. Una protesi dell’arto superiore più semplice, alimentata dal corpo, costa circa $ 7.000 . A partire dal 2015, l’arto protesico modulare a braccio completo molto avanzato, che ha 26 articolazioni, centinaia di sensori e può piegarsi fino a 45 libbre, costava circa $ 500.000. Questa protesi, abbinata a un intervento chirurgico per reindirizzare i nervi che una volta controllavano il braccio, consente ai pazienti di comandare l’arto con i loro pensieri e persino di sentire la consistenza attraverso di esso.
L’invenzione è valsa a Choi, ora un anziano di 17 anni alla Potomac School in Virginia, un posto tra i primi 40 finalisti della Regeneron Science Talent Search di quest’anno , la più antica e prestigiosa competizione scientifica e matematica del paese per studenti delle scuole superiori. La vincitrice del primo posto di quest’anno è stata Christine Ye di Sammamish, Washington, che ha sviluppato un modo per analizzare le onde gravitazionali emesse dalle collisioni tra stelle di neutroni .
“Significa molto per me vedere che il mio lavoro viene riconosciuto in questo modo”, dice Choi. “Sono decisamente molto grato di essere un finalista.”
Si stima che circa 2 milioni di persone stiano vivendo con la perdita di un arto negli Stati Uniti e ogni anno si verificano circa 185.000 amputazioni. L’Organizzazione Mondiale della Sanità afferma che solo una persona su dieci che ha bisogno di ausili, comprese protesi e ortesi, ha accesso ad essi, citando “costi elevati” e una “mancanza di consapevolezza, disponibilità, personale qualificato, politiche e finanziamenti”.
Il braccio di Choi utilizza l’elettroencefalografia, o EEG, per evitare le tecniche invasive di altre protesi. I dispositivi EEG registrano l’attività elettrica del cervello utilizzando sensori posti sulla testa.
Sono spesso usati in medicina per diagnosticare l’epilessia o altri disturbi cerebrali.
Il suo sistema utilizza due elettrodi: un sensore della linea di base che si aggancia al lobo dell’orecchio e un altro sulla fronte che raccoglie i dati EEG. L’elettrodo frontale raccoglie le informazioni sulle onde cerebrali, che vengono inviate a un microchip nel braccio protesico tramite Bluetooth. Un modello di intelligenza artificiale creato da Choi, anch’esso incorporato nel chip, decifra i dati e li converte in una previsione di ciò che il cervello sta pensando. Il braccio si muove anche con i gesti della testa e si ferma con ammiccamenti intenzionali.
Sei mesi dopo aver iniziato a costruire il braccio, ha pubblicato un video su YouTube che ne dimostrava la destrezza. La protesi attirò l’attenzione di Joseph Dunn, un amputato dell’arto superiore della Pennsylvania. Choi iniziò a consultarsi con lui a distanza sul design.
“Lavorare con il signor Dunn ha reso questo progetto davvero d’impatto, stimolante e motivante”, afferma Choi. “Forse suona un piccolo cliché, ma puoi davvero aiutare le persone, penso, attraverso l’ingegneria, attraverso la tecnologia.”
Il giovane inventore ha vinto finanziamenti dal Massachusetts Institute of Technology nel 2021 per continuare la sua ricerca e lavorare con gli esperti dell’università. Per circa sei mesi, ha sperimentato il cloud computing per rendere il braccio compatibile con Internet.
“Questi modelli di intelligenza artificiale possono diventare così grandi”, afferma. “Stavo pensando di archiviarli nel cloud e quindi di far comunicare il mio braccio tramite Wi-Fi”.
Ma non ha funzionato per due motivi. Innanzitutto, il braccio ha impiegato troppo tempo per rispondere ai pensieri di un utente.
“Non è l’ideale, perché soprattutto per le protesi, vuoi che funzionino in tempo reale molto rapidamente”, dice.
In secondo luogo, un utente dovrebbe costantemente essere connesso al Wi-Fi, il che non è pratico, spiega Choi. Invece, ha compresso il suo modello di intelligenza artificiale, che contiene diversi sottomodelli, e lo ha archiviato in un microchip dual-core all’interno del braccio.
Per creare il suo modello di intelligenza artificiale, ha lavorato in modo indipendente con sei volontari adulti per circa due ore ciascuno, raccogliendo i dati delle loro onde cerebrali a scuola ea casa. Durante la raccolta dei dati tramite un elettrodo sulla fronte, ha chiesto a ciascun partecipante di concentrarsi sul serrare e aprire la mano.
Ha addestrato l’IA a distinguere tra i segnali cerebrali e il modello di intelligenza artificiale apprende continuamente dalle onde cerebrali di un utente.
“Più lo usi, più capisce in modo specifico come pensi, quali sono i tuoi schemi di onde cerebrali, finché la precisione non aumenta davvero in modo significativo per te nel tempo”, spiega Choi.
In totale, l’algoritmo ha oltre 23.000 righe di codice, con 978 pagine di matematica e sette sub-algoritmi completamente nuovi. L’algoritmo di Choi funziona con una precisione media del 95 percento. Dice che il precedente gold standard per una rete neurale artificiale simile era del 73,8% .
Brock Wester, un ingegnere biomedico della Johns Hopkins University con un background in neuroprotesi, afferma che la tecnologia di Choi è impressionante, soprattutto se si considera che la protesi nel documentario “60 Minutes” aveva un grande team di ricercatori che ci lavorava, mentre Choi ha progettato l’intero braccio lui stesso.
“Il fatto che sia stato in grado di costruire questo arto, di sviluppare i controlli per esso e gli algoritmi per decodificare i suoi segnali neurali in tempo reale per inviare quei segnali di controllo, penso che sia semplicemente straordinario”, afferma Wester. “Dovrebbe continuare a fare ricerca in questo spazio, perché penso che possa dare molti contributi importanti”.
Wester osserva che Choi ha ancora un po’ di ingegneria da fare, specialmente quando si pensa a come l’arto si collega al corpo di un utente. A questo punto, il braccio è collegato a un palo fisso su una piattaforma. Choi dice che alla fine progetterà una presa, ma quel processo richiederà un adattamento personalizzato per l’utente.
La scorsa estate, Choi è stato selezionato come Simons Fellow presso la Stony Brook University, dove ha lavorato in remoto con Ji Liu, professore nel dipartimento di ingegneria elettrica e informatica, sull’algoritmo di apprendimento automatico della sua intelligenza artificiale. consigli a livello di livello sull’algoritmo, incluso come costruire set di dati di addestramento più completi per esso, Choi ha lavorato sui dettagli più fini da solo.
La novità dietro il progetto di Choi è che ha “applicato tecniche di apprendimento automatico all’avanguardia al suo sistema di braccio robotico”, afferma Liu, aggiungendo che le prestazioni del braccio a basso costo sono paragonabili a macchinari più costosi e avanzati.
“Non è solo molto intelligente, ma lavora anche molto duramente e indipendente”, dice Liu di Choi. “Anche questo è piuttosto eccezionale rispetto agli studenti laureati.”
Choi ha anche vinto premi alla Regeneron International Science and Engineering Fair , alla Microsoft Imagine Cup e al National At-Home STEM Competition . Ha ricevuto una sovvenzione per la produzione nell’ottobre 2020 da PolySpectra, Inc., un’azienda che produce materiali stampati in 3D durevoli, per produrre il suo braccio.
Al di fuori dell’ingegneria, Choi è un giocatore di squash di livello nazionale, presidente del corpo studentesco nella sua scuola, un autore di racconti pubblicato, un violinista solista con i migliori piazzamenti in diverse competizioni e il fondatore di una squadra di studenti Potomac che hanno gareggiato sulla NBC programma a quiz “È accademico”.
Choi ha in programma di studiare ingegneria al college e vuole continuare a migliorare il suo braccio protesico. Ha gli occhi puntati sulla conduzione di uno studio clinico con pazienti con perdite agli arti superiori. Ha già acquisito due brevetti provvisori per la sua invenzione: uno per la neuroprotesi e uno per l’algoritmo di interpretazione delle onde cerebrali.
Choi afferma che il suo algoritmo potrebbe avere usi oltre le protesi, incluso il controllo di dispositivi di assistenza come le sedie a rotelle e aiutare i pazienti con SLA a comunicare.
“L’interpretazione delle onde cerebrali è un campo emergente davvero grande”, afferma. “Il mio algoritmo è il migliore di tutti gli algoritmi riportati in letteratura con un margine piuttosto significativo. Penso che potrebbe avere grandi applicazioni in futuro”.
Margaret Osborne da smithsonianmag.com
