這位高中生發(fā)明了一類低本錢、意念操控的假肢

十七歲的 Benjamin Choi 在大盛行時(shí)期十足借用業(yè)余時(shí)間設(shè)計(jì)了一類不須要腦部手術(shù)的可訪問設(shè)施

2022 年 5 月 2 日

Benjamin Choi 是今年 ‘科學(xué)人才搜索’ 的前 40 名決賽選手之一，這是美國(guó)歷程最負(fù)盛名的高中生科學(xué)和數(shù)學(xué)比賽。

十年前，Benjamin Choi 上三年級(jí)時(shí)，他看了一部對(duì)于精神操控假肢的“60 分鐘”記錄片。研發(fā)職員將微型傳感器植入患者大腦的運(yùn)動(dòng)皮層，該患者僅應(yīng)用意念移動(dòng)機(jī)器臂。Choi 對(duì)這個(gè)概念很著迷，將其比作星球大戰(zhàn)片子中的情景。

“那時(shí)我真的十分詫異，由于這項(xiàng)技術(shù)太令人印象深刻了，”他說。“但我也很擔(dān)憂他們須要這類十分風(fēng)險(xiǎn)的開顱手術(shù)。況且它們是這樣難以靠近，本錢高達(dá)數(shù)十萬美圓?！?/p>

多年后，當(dāng) 2020 年新冠來襲時(shí)，暫住在弗吉尼亞州的十年級(jí)學(xué)生 Choi 忽然發(fā)掘自己有了豐富的閑暇時(shí)間。他策劃在全部夏天拿來研發(fā)鋁燃料的試驗(yàn)室已然關(guān)閉。但他多年前看過的那部記錄片讓他印象深刻，他決議借用業(yè)余時(shí)間自己制作1個(gè)侵入性較小的假肢。

在他地下室乒乓球桌上的暫時(shí)試驗(yàn)室里（他偶爾1天工作 16 個(gè)小時(shí)！），Choi 應(yīng)用他姐姐價(jià)值 75 美圓的 3-D 打印機(jī)和許多釣魚線獨(dú)立設(shè)計(jì)了他的機(jī)器臂的第1個(gè)版本。打印機(jī)不能生產(chǎn)長(zhǎng)度超越 4.7 英寸的部件，因而 Choi 將手臂分成小塊打印出來，接著用螺栓和橡皮筋將它們連通在一塊。打印總共耗費(fèi)了大概 30 個(gè)小時(shí)。這個(gè)版本應(yīng)用腦電波信息和頭部動(dòng)作，Choi 在網(wǎng)上公布了闡明，供所有人建立自己的版本。

他曾在小學(xué)、初中和高中階段參與過機(jī)械人比賽，乃至屢次參與過世界錦標(biāo)賽，因而有過建立機(jī)械人和編碼的歷練。從九年級(jí)開始，他通過觀看程序員網(wǎng)站 Stack Overflow 上的視頻自學(xué)計(jì)算機(jī)編程話語 Python 和 C++。

Choi 的機(jī)器臂生產(chǎn)本錢僅為 300 美圓。

經(jīng)過超越 75 次設(shè)計(jì)迭代，Choi 的非侵入式、意念操控的機(jī)器臂如今由工程級(jí)原料制成，可以承受約 4 噸的重量。它應(yīng)用由人工自動(dòng) (AI) 驅(qū)動(dòng)的算法運(yùn)作，該算法闊以闡明客戶的腦電波。況且它的生產(chǎn)本錢僅為 300 美圓左右——與現(xiàn)在市場(chǎng)上的成品相比，節(jié)約了批量資金。1個(gè)更根本的、肌體驅(qū)動(dòng)的上肢假肢本錢約為7,000 美圓。截至 2015 年，具有 26 個(gè)關(guān)節(jié)、數(shù)百個(gè)傳感器并可卷曲重達(dá) 45 磅的十分超前的全臂模塊化假肢售價(jià)約為 500,000美圓. 這類假肢與從頭路由已經(jīng)操控手臂的神經(jīng)的手術(shù)相結(jié)合，使患者可以用他們的想法來操控肢體，乃至闊以通過它感覺到紋理。

這項(xiàng)發(fā)明為現(xiàn)年 17 歲的弗吉尼亞波托馬克學(xué)校高年級(jí)學(xué)生 Choi 博得了今年 Regeneron Science Talent Search 的前 40 名決賽選手的一席之地，這是美國(guó)歷程最悠長(zhǎng)、最負(fù)盛名的高中生科學(xué)和數(shù)學(xué)比賽。今年的第一名獲取者是來自華盛頓州薩馬米什的 Christine Ye，她開發(fā)了一類解析中子星碰撞所發(fā)出的引力波的方式。

“看見我的作品獲得如此的認(rèn)同對(duì)我來說意義重要，”Choi 說?！拔沂指屑つ芗尤霙Q賽?！?/p>

在美國(guó)，預(yù)計(jì)有200 萬人失去了肢體，每年約有 185,000 人截肢。世界衛(wèi)生組織表示，唯獨(dú)非常之一須要輔助成品（含蓋假肢和矯形器）的人闊以獲取這類成品，原因是“本錢高”和“缺少意識(shí)、可用性、訓(xùn)練有素的職員、政策和資金”。

Choi 的手臂應(yīng)用腦電圖或 EEG，以以免其余假肢的侵入性技術(shù)。腦電圖設(shè)施應(yīng)用擺放在頭部的傳感器記載大腦的電活動(dòng)。

它們往往用來醫(yī)學(xué)診療癲癇或其余腦部疾病。

正在用意念控制

他的體系應(yīng)用2個(gè)電極：1個(gè)基線傳感器夾在耳垂上，另1個(gè)在前額上采集腦電圖信息。前額電極拾取腦電波數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙將其發(fā)送到假臂中的微芯片。Choi 創(chuàng)立的人工自動(dòng)模型也嵌入到芯片中，闊以破譯信息并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)大腦頭腦的預(yù)判。手臂也通過頭部動(dòng)作移動(dòng)，并通過存心眨眼停了。

在他開始制作這只手臂6個(gè)月后，他在 YouTube 上公布了一段視頻，展現(xiàn)了它的乖巧性。假肢引發(fā)了來自賓夕法尼亞州的上肢截肢者約瑟夫鄧恩的注重。Choi 開始就設(shè)計(jì)問題與他進(jìn)行遠(yuǎn)程咨詢。

“與 Dunn 老師的協(xié)作使這個(gè)項(xiàng)目真實(shí)擁有影響力，真實(shí)鼓動(dòng)人心，”Choi 說。“可能這聽起來有點(diǎn)陳詞讕言，但我認(rèn)定，通過工程和技術(shù)，你真的闊以輔助人們。”

這位年青的發(fā)明家持續(xù)在 2021 年獲取麻省理工學(xué)院的幫助，持續(xù)他的研發(fā)并和大學(xué)的顧問一塊工作。在大概6個(gè)月的時(shí)間里，他嘗試應(yīng)用云計(jì)算來使 arm 互聯(lián)網(wǎng)兼容。

“這類人工自動(dòng)模型闊以變得這樣巨大，”他說?！拔蚁胛視?huì)把它們存儲(chǔ)在云端，接著讓我的手臂通過 Wi-Fi 進(jìn)行通信?！?/p>

但這并沒有見效，原因有二。首先，手臂須要太多時(shí)間來呼應(yīng)客戶的思想。

“這并非理想，由于特別是針對(duì)假肢，你期望它們可以十分迅速地實(shí)時(shí)工作，”他說。

其次，Choi 闡明說，客戶將時(shí)常須要連通到 Wi-Fi，這是不切實(shí)際的。相同，他壓縮了他的人工自動(dòng)模型——此中含蓋幾個(gè)子模型——并將其存儲(chǔ)在手臂內(nèi)的雙核微芯片中。

為了創(chuàng)立他的 AI 模型，他與六名成年自愿者各自獨(dú)立工作了大概2個(gè)小時(shí)，在他的學(xué)校和家中采集了他們的腦電波信息。在通過額頭上的電極采集信息時(shí)，他需要每個(gè)參加者專注于握緊和松開他們的手。

他訓(xùn)練人工自動(dòng)辨別大腦信號(hào)，人工自動(dòng)模型不停地從客戶的腦電波中學(xué)習(xí)。

“你應(yīng)用它的次數(shù)越多，它就越能詳細(xì)地了解你的思想，你的腦電波形式是甚麼，直到跟著時(shí)間的推移，你的確切度真的顯著提升，”Choi 闡明道。

該算法總共有超越 23,000 行代碼，含蓋 978 頁數(shù)學(xué)和7個(gè)嶄新的子算法。Choi 的算法的平均確切率為 95%。他說，從前相似人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黃金規(guī)范是73.8%。

具有神經(jīng)恢復(fù)學(xué)背景的約翰霍普金斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師 Brock Wester 表示，Choi 的技術(shù)令人印象深刻，特別是參考到“60 分鐘”記錄片中的假肢有批量研發(fā)職員在研發(fā)，而 Choi 設(shè)計(jì)了全部手臂他自己。

Wester 說：“他可以建立這個(gè)肢體，開發(fā)它的操控并且實(shí)時(shí)解碼他的神經(jīng)信號(hào)以發(fā)送這類操控信號(hào)的算法，我認(rèn)定這十分了不起。” “他理應(yīng)持續(xù)在這個(gè)行業(yè)做研發(fā)，由于我認(rèn)定他闊以做出許多首要的奉獻(xiàn)?！?/p>

Wester 指出，Choi 還須要做更多的工程工作，特別是在參考肢體怎樣連通到客戶肌體時(shí)。這時(shí)，手臂連通到平臺(tái)上的固定柱上。Choi 說他終極會(huì)設(shè)計(jì)1個(gè)插座，但這個(gè)流程須要為客戶定制。

去年夏天，Choi 被石溪大學(xué)選為 Simons Fellow，在那邊他與電氣和計(jì)算機(jī)工程系老師 Ji Liu 遠(yuǎn)程協(xié)作開發(fā)他的 AI 的機(jī)械學(xué)習(xí)算法，但是 Liu 說他給了 Choi許多高分對(duì)于算法的級(jí)別倡議，含蓋怎樣為它建立更廣泛的訓(xùn)練信息集，Choi 自己研發(fā)了更精致的細(xì)節(jié)。

Choi 項(xiàng)目標(biāo)別致之處在于他“將最超前的機(jī)械學(xué)習(xí)技術(shù)運(yùn)用于他的機(jī)器臂體系，”Liu 說，并補(bǔ)足說低本錢機(jī)器臂的功能可與更昂貴和超前的機(jī)器相媲美。

“他不單十分聰慧，況且工作十分盡力和獨(dú)立，”劉說蔡?！芭c研發(fā)生相比，這也相當(dāng)超卓?！?/p>

Choi 還在再生元國(guó)際科學(xué)與工程博覽會(huì)、微軟革新杯和全國(guó)家庭 STEM 比賽中獲獎(jiǎng)。2020 年 10 月，他從制造經(jīng)用 3D 打印原料的企業(yè) PolySpectra, Inc. 獲取了生產(chǎn)補(bǔ)貼金，用來制造他的手臂。

在工程學(xué)之外，Choi 是全國(guó)排名第一的壁球運(yùn)動(dòng)員、他所在學(xué)校的學(xué)生會(huì)主席、出版的短篇小說作者、在多項(xiàng)競(jìng)賽中獲取最高成績(jī)的小提琴獨(dú)奏家，并且參與 NBC 競(jìng)賽的波托馬克學(xué)生隊(duì)的創(chuàng)始人問答欄目“這是學(xué)術(shù)”。

Choi 策劃在大學(xué)學(xué)習(xí)工程學(xué)，并期望不停改善他的假肢。他的目的是對(duì)上肢喪失患者進(jìn)行臨床研發(fā)。他已然為他的發(fā)明獲取了兩項(xiàng)暫時(shí)專利：一項(xiàng)是神經(jīng)假體，一項(xiàng)是腦電波闡明算法。

Choi 說，他的算法闊以用來假肢以外的用處，含蓋操控輪椅等輔助設(shè)施和輔助 ALS 患者進(jìn)行交流。

“腦電波闡明是1個(gè)十分大的新興行業(yè)，”他說。“我的算法是文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的一切算法中最佳的，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)大。我認(rèn)定它也許會(huì)有較大的運(yùn)用前景?！?/p>