Современные технологии стремительно меняют способы взаимодействия человека с компьютером, открывая новые горизонты в области удобства, скорости и точности управления. Традиционные устройства ввода, такие как клавиатуры, мыши или сенсорные экраны, хотя и остаются широко используемыми, все же не справляются с задачами обеспечения мобильности и естественности взаимодействия в различных жизненных ситуациях. В последние годы появился значительный интерес к разработке нейромоторных интерфейсов, способных считывать сигналы, порождаемые мозгом или мышцами, чтобы напрямую управлять цифровыми устройствами. Однако до недавнего времени реализация высокопроизводительных интерфейсов была возможна лишь при использовании инвазивных методов, требующих хирургического вмешательства, что ограничивало сферу их применения. В этой связи разработка универсального неинвазивного нейромоторного интерфейса, основанного на поверхностной электромиографии (sEMG), рассматривается как один из прорывов, способных изменить будущее взаимодействия человека и машины.
Суть технологии поверхностной электромиографии заключается в регистрации электрической активности мышц с поверхности кожи. Миоэлектрические потенциалы отражают мотивационные команды центральной нервной системы, обеспечивая прямой доступ к намерениям пользователя. Именно эти сигналы являются ключом к преобразованию волевых движений в управляющие команды для компьютера или других цифровых устройств. Преимуществом sEMG является высокая информативность и сигнал с относительно высоким отношением сигнал/шум по сравнению с другими неинвазивными методами, такими как электроэнцефалография. Одним из ключевых достижений стало создание эргономичного, удобного и многоразмерного sEMG браслета, который можно надевать на запястье.
Запястье выбрано не случайно: эта область предоставляет доступ к сигналам из кисти и предплечья и при этом социально приемлема для повседневного ношения. Новый браслет оснащен платой с множеством сухих электродов, способных регистрировать до 16 различных каналов мышечной активности одновременно, с частотой дискретизации 2000 Гц и низким уровнем шума. Его конструкция отличается возможностью быстрого и комфортного надевания, подходя для широкого диапазона размеров запястья, что особенно важно для достижения универсальности устройства. Для реализации полноценного интерфейса было необходимо не только оборудование, но и программное обеспечение, способное интерпретировать сложные многоканальные электромиографические сигналы. Исследователи разработали масштабируемую инфраструктуру для сбора тренировочных данных с тысяч добровольцев.
Благодаря этому собранному массиву информации они использовали глубокие нейронные сети, которые обучились выделять универсальные паттерны из массы небольших вариаций сигналов разных пользователей. Важным моментом является то, что разработанные модели обладают способностью обобщаться, то есть работать эффективно с новыми пользователями без дополнительной калибровки или персонализации с самого начала. Тестирование интерфейса проводилось в трех основных направлениях: непрерывное управление курсором по одной оси посредством движения запястья, распознавание дискретных жестов (пальцев и руки) и даже транскрипция почерка, выполненного в воздухе без использования ручки. В ходе экспериментов новички, впервые использовавшие устройство, смогли управлять курсором со скоростью около 0.66 попаданий по цели в секунду, выполнять дискретные жестовые команды с точностью до 0.
88 действий в секунду и писать тексты со скоростью порядка 20 слов в минуту. Эти показатели являются первыми в своем роде для универсального неинвазивного интерфейса и открывают путь к новым сценариям использования. Особенный интерес вызывает возможность дальнейшего улучшения качеств этого интерфейса через персонализацию. Несмотря на отличные результаты универсальных моделей, обучение с учетом индивидуальных особенностей анатомии и манеры выполнения движений позволяет повысить точность распознавания текста еще минимум на 16%. Это достигается путем дополнительной дообучения нейросети на данных конкретного пользователя, при этом сохраняя возможность функционирования без длительных подготовительных этапов.
Интерфейс на основе sEMG обеспечивает ряд значимых преимуществ перед традиционными способами ввода и даже другими видами нейроинтерфейсов. Камеры и инерциальные датчики ограничены внешними условиями – это может быть плохое освещение, перекрытия рук и предметов, или невозможность выполнять широкие жесты. При этом интерфейсы, основанные на регистрации активности мозга, как правило, инвазивны или требуют длительной и сложной настройки и не обеспечивают такую высокую скорость обработки сигналов. Поверхностная электромиография является золотой серединой, давая высококачественный сигнал при минимальном воздействии на пользователя. Текущие модели, хоть и чуть уступают по производительности классическим контроллерам ввода – трекпадам, геймпадам и обычным перьям для почерка, тем не менее обладают уникальным преимуществом: они не требуют использования дополнительных устройств, не ограничивают движения рук и доступны в любой момент благодаря компактному и удобному браслету.
Таким образом, их можно применять в мобильных цифровых приложениях, таких как управление смартфонами, умными часами, очками дополненной реальности и пр., где невозможно или неудобно использование привычных интерфейсов. Перспективы развития нейромоторных интерфейсов на основе sEMG огромны. Помимо традиционного управления курсором или текстовым вводом, технология способна поддерживать чувствительность к силе и тонкости движений, что открывает дорогу к управлению роботизированными протезами, виртуальными и дополненными мирами, сложной навигацией и многомерным управлением. Более того, возможность регистрации отдельных всплесков активности моторных единиц обеспечивает сверхнизкие уровни усилий для пользователей, что важно для людей с ограниченными двигательными возможностями.
В исследовательском плане sEMG-браслет представляет собой мощный инструмент для изучения нейрофизиологии и механизмов моторного контроля, позволяя получать обратную связь и изучать процессы обучения новым двигательным задачам. Клинико-техническое применение включает создание доступных интерфейсов для реабилитации, компьютерного ввода и ассистивных технологий для людей с повреждениями двигательной системы. Перед разработчиками и учеными стоит задача дальнейшего повышения надежности и освоения сложных режимов работы, таких как множественные степени свободы, а также интеграция с дополнительными сенсорными данными – инерциальными измерениями и биосигналами с кожи. Продолжающееся расширение и диверсификация базы данных, включая участников с различными физиологическими особенностями и патологиями, позволит создать более универсальные и адаптивные модели. В заключение, универсальный неинвазивный нейромоторный интерфейс на основе поверхностной электромиографии является значительным шагом вперед к созданию интуитивных, быстрых и универсальных интерфейсов человек-компьютер.
Благодаря сочетанию продуманного аппаратного дизайна и мощных алгоритмов глубокого обучения, он предлагает новые возможности для взаимодействия в самых разных сферах – от повседневного использования мобильных устройств до сложных протезных и реабилитационных применений. Исследования и разработки в этой области обещают сделать взаимодействие с цифровым миром еще более естественным и доступным для всех людей.
