يساعد الذكاء الاصطناعي الهيكل الخارجي على التكيف مع المستخدمين المختلفين والتعامل مع السلالم

تكبير / في الوقت الحالي، البرنامج لا يصنع أسلحة، لذا لا تستخدمه في القضاء على أي كائنات فضائية.

شركة فوكس للقرن العشرين

تبدو الهياكل الخارجية اليوم وكأنها شيء من الخيال العلمي. لكن الحقيقة هي أنهم ليسوا على نفس مستوى القوة التي يتمتع بها نظرائهم الخياليين. إنها متذبذبة تمامًا، ويستغرق الأمر ساعات طويلة من صياغة سياسات البرامج يدويًا، والتي تنظم كيفية عملها – وهي عملية يجب تكرارها لكل مستخدم على حدة.

لتقريب التكنولوجيا قليلاً من Avatar’s Skel Suits أو Warhammer 40k Power Armor، استخدم فريق في مختبر الميكاترونكس الحيوية والروبوتات الذكية بجامعة نورث كارولينا الذكاء الاصطناعي لبناء أول هيكل خارجي بمقاس واحد يناسب الجميع يدعم المشي والجري والمشي. صعود الدرج. والأهم من ذلك، أن برنامجه يتكيف مع المستخدمين الجدد دون الحاجة إلى أي تعديلات خاصة بالمستخدم. يقول هاو سو، الأستاذ المشارك والمؤلف المشارك للدراسة: “كل ما عليك فعله هو ارتدائه وسيعمل”.

الروبوتات المصممة خصيصا

الهيكل الخارجي هو روبوت ترتديه للمساعدة في حركاتك، فهو يجعل المشي والجري والأنشطة الأخرى أقل إرهاقًا، بنفس الطريقة التي تضيف بها الدراجة الإلكترونية واطًا إضافيًا فوق تلك التي تولدها بنفسك، مما يجعل استخدام الدواسات أسهل. “المشكلة هي أن الهياكل الخارجية تواجه صعوبة في فهم نوايا الإنسان، سواء كنت تريد الركض أو المشي أو صعود السلالم. يقول سو: “لقد تم حل المشكلة من خلال التعرف على الحركة: الأنظمة التي تتعرف على نوايا الحركة البشرية”.

يعتمد بناء أنظمة التعرف على الحركة هذه حاليًا على سياسات تفصيلية تحدد ما يجب على المحركات الموجودة في الهيكل الخارجي القيام به في كل سيناريو محتمل. “دعونا نمشي. الوضع الحالي هو أننا نضع الهيكل الخارجي عليك وتمشي على جهاز المشي لمدة ساعة. وبناءً على ذلك، نحاول تعديل عملها ليتناسب مع مجموعة الحركات الفردية الخاصة بك.

إن بناء سياسات تحكم مصنوعة يدويًا وإجراء تجارب بشرية طويلة لكل مستخدم يجعل الهياكل الخارجية باهظة الثمن، حيث يصل سعرها إلى 200 ألف دولار أو أكثر. لذلك، استخدم فريق سو الذكاء الاصطناعي لإنشاء سياسات التحكم تلقائيًا والقضاء على التدريب البشري. يقول سو: “أعتقد أنه في غضون عامين أو ثلاثة أعوام، ستكون الهياكل الخارجية التي تتراوح أسعارها بين 2000 دولار و5000 دولار قابلة للتنفيذ تمامًا”.

ويأمل فريقه أن تأتي هذه المدخرات من تطوير سياسة التحكم في الهيكل الخارجي باستخدام نموذج رقمي، بدلاً من البشر الأحياء الذين يتنفسون.

رقمنة البشر بمساعدة الروبوت

بدأ فريق سو ببناء نماذج رقمية لنظام عضلي هيكلي بشري وروبوت هيكل خارجي. ثم استخدموا شبكات عصبية متعددة تعمل على تشغيل كل مكون. كانت إحدى هذه الشبكات تدير النموذج الرقمي للهيكل العظمي البشري، الذي يتحرك بعضلات مبسطة. وكانت الشبكة العصبية الثانية تدير نموذج الهيكل الخارجي. وأخيرًا، كانت الشبكة العصبية الثالثة مسؤولة عن تقليد الحركة – التنبؤ بشكل أساسي بكيفية تحرك النموذج البشري وهو يرتدي الهيكل الخارجي وكيف سيتفاعل الاثنان مع بعضهما البعض. يقول سو: “لقد دربنا الشبكات العصبية الثلاث في وقت واحد لتقليل نشاط العضلات”.

إحدى المشكلات التي واجهها الفريق هي أن دراسات الهيكل الخارجي تستخدم عادةً مقياسًا للأداء يعتمد على انخفاض معدل التمثيل الغذائي. يوضح سو: “البشر، مع ذلك، معقدون بشكل لا يصدق، ومن الصعب جدًا بناء نموذج بدقة كافية لمحاكاة التمثيل الغذائي بدقة”. لحسن الحظ، وفقًا للفريق، فإن تقليل تنشيط العضلات يرتبط ارتباطًا وثيقًا بانخفاض معدل التمثيل الغذائي، لذلك فقد أبقى تعقيد النموذج الرقمي ضمن حدود معقولة. استغرق تدريب نظام الهيكل الخارجي البشري بالكامل مع جميع الشبكات العصبية الثلاث ما يقرب من ثماني ساعات على وحدة معالجة رسومية RTX 3090 واحدة. وكانت النتائج قياسية.

سد الفجوة بين المحاكاة والواقع

بعد تطوير وحدات التحكم لنموذج الهيكل الخارجي الرقمي، والتي تم تطويرها بواسطة الشبكات العصبية في المحاكاة، قام فريق سو ببساطة بنسخ سياسة التحكم ولصقها إلى وحدة تحكم حقيقية تقوم بتشغيل هيكل خارجي حقيقي. ثم قاموا باختبار كيفية عمل الهيكل الخارجي المدرب بهذه الطريقة مع 20 مشاركًا مختلفًا. كان متوسط ​​انخفاض معدل الأيض في المشي أكثر من 24%، وأكثر من 13% في الجري، و15.4% في صعود الدرج – جميع الأرقام القياسية، مما يعني أن هيكلهم الخارجي يتفوق على كل الهيكل الخارجي الآخر الذي تم صنعه في كل فئة.

وقد تم تحقيق ذلك دون الحاجة إلى أي تعديلات لتناسب المشية الفردية. ولكن سحر الشبكات العصبية لم ينته عند هذا الحد.

“كانت المشكلة في السياسات التقليدية المصنوعة يدويًا هي أنها كانت تخبرها فقط “إذا تم اكتشاف المشي فافعل شيئًا واحدًا؛ وإذا تم اكتشاف المشي بشكل أسرع فافعل شيئًا آخر”. كانت هذه (مزيجًا من) آلات الحالة المحدودة ووحدات التحكم بالتبديل. لقد قدمنا ​​التحكم المستمر من البداية إلى النهاية”، كما يقول سو. ما يعنيه هذا التحكم المستمر هو أن الهيكل الخارجي يمكن أن يتبع جسم الإنسان أثناء انتقاله بسلاسة بين الأنشطة المختلفة – من المشي إلى الجري، ومن الجري إلى صعود السلالم، وما إلى ذلك. لم يكن هناك تبديل مفاجئ في الوضع.

يقول سو: “فيما يتعلق بالبرمجيات، أعتقد أن الجميع سيستخدمون هذا النهج القائم على الشبكة العصبية قريبًا”. ولتحسين الهياكل الخارجية في المستقبل، يريد فريقه جعلها أكثر هدوءًا وخفة وراحة.

لكن الخطة تهدف أيضًا إلى جعلها تعمل لصالح الأشخاص الذين هم في أمس الحاجة إليها. “القيد الآن هو أننا اختبرنا هذه الهياكل الخارجية مع المشاركين الأصحاء، وليس الأشخاص الذين يعانون من إعاقات في المشي. لذا، ما نريد القيام به هو شيء فعلوه في دراسة أخرى للهيكل الخارجي في جامعة ستانفورد. سنلتقط مقطع فيديو مدته دقيقة واحدة وأنت تمشي، وبناءً على ذلك، سنبني نموذجًا لإضفاء طابع فردي على نموذجنا العام. يقول سو: “يجب أن يعمل هذا بشكل جيد للأشخاص الذين يعانون من إعاقات مثل التهاب المفاصل في الركبة”.

الطبيعة، 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07382-4

مصدر