thumbnail - Cánh tay robot điều khiển bằng suy nghĩ, giá rẻ được phát minh bởi một học sinh trung học
Thu Hà
Hà Nội

Cánh tay robot điều khiển bằng suy nghĩ, giá rẻ được phát minh bởi một học sinh trung học

Benjamin Choi, 17 tuổi, sống ở Mỹ, đã dành thời gian rảnh rỗi của mình trong thời gian đại dịch để thiết kế một thiết bị điều khiển được bằng trí óc mà không cần phải can thiệp vào bộ não.

Khoảng 10 năm trước, khi Benjamin Choi học lớp ba, anh đã xem bộ phim tài liệu "60 Minutes" về một bộ phận giả điều khiển bằng trí óc. Trong đó, các nhà nghiên cứu đã cấy những cảm biến cực nhỏ vào vỏ não vận động của một bệnh nhân để để di chuyển canh tay robot chỉ bằng cách sử dụng suy nghĩ của cô ấy. Choi bị cuốn hút bởi khái niệm này, ví nó như một thứ gì đó trong phim Chiến tranh giữa các vì sao. Choi nói "Em thực sự rất ngạc nhiên vào thời điểm đó vì công nghệ này quá ấn tượng Nhưng em cũng thấy rằng yêu cầu phẫu thuật mở não là thực sự rất mạo hiểm. Ngoài ra với một sản phẩm như vậy, rất khó để tiếp cận với công chúng, bởi giá có thể lên tới hàng trăm nghìn đô la."

Nhiều năm sau đó, khi đại dịch xảy ra vào năm 2020, Choi, hiện đã là một học sinh lớp 10 sống ở Virginia - tự thấy mình có nhiều thời gian rảnh rỗi. Phòng thí nghiệm mà cậu định dành cả mùa hè để nghiên cứu nhiên liệu nhôm đã đóng cửa. Nhưng bộ phim tài liệu mà cậu đã xem nhiều năm trước đó đã gợi nhớ cho mình về một công nghệ mới, và cậu quyết định sử dụng thời gian rảnh rỗi của mình để tự chế tạo một cánh tay giả ít xâm lấn hơn.

Sản phẩm thần kỳ ra đời từ một phòng thí nghiệm tồi tàn ở tầng hầm

Trong phòng thí nghiệm tạm bợ trên bàn bóng bàn ở tầng hầm, nơi cậu học sinh yêu khoa học đôi khi có thể làm việc đến 16 giờ mỗi ngày. Choi đã độc lập thiết kế phiên bản đầu tiên của cánh tay robot bằng cách sử dụng máy in 3-D trị giá 75 đô la của chị gái mình và một số dây câu cá. Máy in không thể tạo ra các mảnh có chiều dài hơn 4,7 inch, vì thế Choi đã in cánh tay thành các mảnh nhỏ rồi bắt vít và buộc dây cao su lại với nhau. Tổng cộng, cậu mất khoảng 30 giờ để in. Phiên bản này hoạt động bằng cách sử dụng dữ liệu sóng não và cử chỉ của đầu, Choi đã đăng hướng dẫn trực tuyến để mọi người có thể tự xây dựng và biết cách sử dụng nó.

Từ trước, Choi đã tham gia thi đấu rô bốt ở cấp tiểu học, trung học cơ sở và trung học phổ thông, thậm chí nhiều lần đi đến giải vô địch thế giới, vì thế cậu cũng đã có một số kinh nghiệm chế tạo robot và viết mã. Bắt đầu từ năm lớp 9, anh đã tự học ngôn ngữ lập trình máy tính Python và C ++ bằng cách xem video trên Stack Overflow, một trang web dành cho các lập trình viên.


Cánh tay robot điều khiển bằng suy nghĩ, giá rẻ được phát minh bởi một học sinh trung học 


Sau hơn 75 lần thay đổi thiết kế, cánh tay robot không xâm lấn, điều khiển bằng trí óc của Choi hiện được làm từ vật liệu cấp kỹ thuật có thể chịu được trọng lượng lên đến khoảng 4 tấn. Cánh tay hoạt động bằng cách sử dụng một thuật toán được điều khiển bởi trí thông minh nhân tạo (AI) để diễn giải các sóng não của người dùng. Và điều thực sự gây ngạc nhiên là nó chỉ tốn khoảng 300 đô la để sản xuất - một khoản tiết kiệm rất lớn so với những gì hiện có trên thị trường. Một bộ phận giả cơ bản,  được cung cấp năng lượng từ cơ thể có giá khoảng 7.000 đô la. Và tính đến  năm 2015, Chân tay giả dạng mô-đun rất tiên tiến, có 26 khớp, hàng trăm cảm biến và có thể cuộn tròn đến 45 pound, có giá khoảng 500.000 đô la. Bộ phận giả này được kết hợp với một cuộc phẫu thuật để  định hướng lại các dây thần kinh từng điều khiển cánh tay, cho phép bệnh nhân chỉ huy chi bằng suy nghĩ của họ và thậm chí cảm nhận được kết cấu thông qua nó.

Phát minh này đã giúp Choi, hiện là học sinh lớp 12 tại Trường Potomac ở Virginia, lọt vào top 40 thí sinh lọt vào vòng chung kết của Cuộc thi Tìm kiếm Tài năng Khoa học Regeneron năm nay. Đây là cuộc thi khoa học và toán học lâu đời nhất và uy tín nhất của đất nước dành cho học sinh trung học. Người dành vị trí quán quân của năm nay là Christine Ye đến từ Sammamish, Washington, cậu đã phát triển một phương pháp phân tích sóng hấp dẫn phát ra từ các vụ va chạm giữa các sao neutron."

Choi nói: “Đối với em, việc làm của mình được công nhận như thế này có ý nghĩa rất lớn. Em chắc chắn rất biết ơn khi được vào chung kết.”

Cánh tay robot giá rẻ sẽ giúp đỡ rất nhiều cho những người bị mất chi

Ước tính có khoảng 2 triệu người ở Mỹ (chưa kể những nơi khác trên thế giới) đang phải sống chung với việc mất một cánh tay hoặc chân, và khoảng 185.000 ca cắt cụt chi xảy ra hàng năm. Tổ chức Y tế Thế giới cho biết chỉ có 1/10 người cần các sản phẩm trợ giúp, bao gồm cả chân giả và chỉnh hình, có thể sử dụng chúng, vì những sản phẩm này đều có chi phí cao và cả lý do về “thiếu nhận thức, sự sẵn có, nhân viên được đào tạo, chính sách và tài chính”.

Cánh tay của Choi sử dụng phương pháp ghi điện não, hoặc điện não đồ, để tránh các kỹ thuật xâm lấn của các bộ phận giả khác. Các thiết bị điện não đồ ghi lại hoạt động điện của não bằng cách sử dụng các cảm biến đặt trên đầu. Chúng cũng đã được sử dụng trong y tế để chẩn đoán bệnh động kinh hoặc các chứng rối loạn não khác.

Hệ thống của Choi sử dụng hai điện cực: một cảm biến cơ bản kẹp vào dái tai và một điện cực khác trên trán để thu thập dữ liệu điện não đồ. Điện cực trán thu nhận thông tin sóng não, được gửi đến một vi mạch trong cánh tay giả qua Bluetooth. Một mô hình AI mà Choi tạo ra, cũng được nhúng vào chip, giải mã dữ liệu và chuyển nó thành dự đoán về những gì bộ não đang nghĩ. Cánh tay cũng di chuyển bằng cử chỉ đầu và dừng lại với những cái chớp mắt có chủ đích.



Sáu tháng sau khi bắt đầu chế tạo cánh tay, Choi đã đăng một video lên YouTube thể hiện sự khéo léo của nó. Cánh tay robot này đã thu hút sự chú ý của Joseph Dunn, một người bị cụt chi trên đến từ Pennsylvania. Cậu bé Choi đã bắt đầu tư vấn từ xa với anh ấy về thiết kế của mình. 

Choi nói "Làm việc với ông Dunn đã làm cho dự án này thực sự có tác động và thực sự truyền cảm hứng và động lực hơn. Có thể điều này nghe có vẻ hơi sáo rỗng, nhưng bạn thực sự có thể giúp mọi người, thông qua kỹ thuật và công nghệ.”

Cánh tay sử dụng mô hình AI độc đáo và những thuật toán có độ chính xác cao

Nhà phát minh trẻ tài năng đã tiếp tục giành được tài trợ từ Viện Công nghệ Massachusetts vào năm 2021 để tiếp tục nghiên cứu và làm việc với các chuyên gia tại trường đại học. Trong khoảng sáu tháng, anh ấy đã thử nghiệm với điện toán đám mây để làm cho mạng internet tương thích hơn. 

Choi nói "Những mô hình AI này có thể trở nên lớn như vậy. Tôi đã nghĩ rằng mình sẽ lưu trữ chúng trên đám mây và sau đó để cánh tay của tôi giao tiếp qua Wi-Fi." Nhưng điều này lại không hiệu quả vì hai lý do. Đầu tiên, phải mất quá nhiều thời gian để cánh tay phản hồi lại suy nghĩ của người dùng. "Điều đó không lý tưởng lắm, bởi vì đặc biệt là đối với các bộ phận giả, bạn muốn chúng hoạt động trong thời gian thực rất nhanh." Và thứ hai, người sử dụng sẽ liên tục cần kết nối với Wi-Fi, điều này không thực tế. Thay vào đó, cậu đã nén mô hình AI của mình — trong đó có một số mô hình con — và lưu trữ nó trong một vi mạch lõi kép bên trong cánh tay.

Để tạo ra mô hình AI của mình, cậu đã làm việc độc lập với sáu tình nguyện viên trưởng thành, dành khoảng 2 giờ với môi người để thu thập dữ liệu sóng não của họ trong trường học và nhà của mình. Trong khi thu thập dữ liệu thông qua một điện cực trên trán, cậu đã đề nghị mỗi người tham gia tập trung vào việc nắm chặt và không siết chặt tay của họ. Sau đó, cậu đã huấn luyện AI để phân biệt giữa các tín hiệu não và mô hình AI liên tục học từ sóng não của người dùng. Choi giải thích "Bạn càng sử dụng nhiều, nó càng xác định cụ thể cách bạn suy nghĩ, mô hình sóng não của bạn, cho đến khi độ chính xác thực sự tăng lên đáng kể đối với bạn theo thời gian."

Tổng cộng, thuật toán này có hơn 23.000 dòng mã, với 978 trang toán học và 7 thuật toán con hoàn toàn mới. Thuật toán của Choi thực hiện với độ chính xác trung bình là 95 %. Ông cho biết tiêu chuẩn vàng trước đây cho một mạng nơ-ron nhân tạo tương tự là 73,8%.

Brock Wester, một kỹ sư y sinh tại Đại học Johns Hopkins với kiến thức chuyên môn về thần kinh học rất ấn tượng với công nghệ mà Choi sử dụng, đặc biệt là khi xem xét bộ phận giả trong bộ phim tài liệu “60 Minutes” với một nhóm lớn các nhà nghiên cứu, trong khi Choi thiết kế toàn bộ cánh tay chỉ có một mình.

Nhà khoa học trẻ đa tài và tương lai tươi sáng

Wester nói rằng sản phẩm của Choi rất đáng được chú ý vì một cánh tay giả được phát triển các điều khiển cho nó và các thuật toán giải mã tín hiệu thần kinh của mỗi người trong thời gian thực để gửi các tín hiệu điều khiển đó. Choi được khuyến khích nên tiếp tục nghiên cứu về lĩnh vực này bởi nó có thể mang đến nhiều đóng góp quan trọng khác.

Bên cạnh đó Wester lưu ý rằng Choi vẫn còn một số kỹ thuật phải làm, đặc biệt là khi nghĩ về cách chân tay kết nối với cơ thể người dùng. Tại thời điểm này, cánh tay được kết nối với một trụ cố định trên một nền tảng. Choi cho biết mình thiết kế một ổ cắm, nhưng quá trình đó sẽ yêu cầu sự phù hợp tùy chỉnh cho người dùng.

Vào mùa hè năm 2021, hoi đã được chọn làm Nghiên cứu sinh của Simons tại Đại học Stony Brook. Tại đây cậu đã được làm việc Ji Liu, một giáo sư trong khoa kỹ thuật điện và máy tính, về thuật toán học máy của AI. Cậu đã nhận được những lời khuyên về sử dụng các thuật toán, bao gồm cả cách tạo tập dữ liệu đào tạo toàn diện hơn cho nó và đáng khen nhất là Choi đã tự mình nghiên cứu các chi tiết tốt hơn.


Cánh tay robot điều khiển bằng suy nghĩ, giá rẻ được phát minh bởi một học sinh trung học 


Điểm mới lạ đằng sau dự án của Choi là cậu ấy đã “áp dụng các kỹ thuật máy học hiện đại vào hệ thống cánh tay robot của mình" và hiệu suất của cánh tay giá rẻ có thể so sánh với máy móc đắt tiền và tiên tiến hơn. Choi không chỉ thông minh mà còn làm việc rất chăm chỉ và độc lập, cậu thực sự khá nổi bật so với các sinh viên đã tốt nghiệp.

Choi cũng đã giành được các giải thưởng trong Hội chợ Khoa học và Kỹ thuật Quốc tế Regeneron, Microsoft Imagine Cup và Cuộc thi STEM Tại nhà Quốc gia. Cậu cũng nhận được các khoản tài trợ sản xuất vào tháng 10 năm 2020 từ PolySpectra, Inc., một công ty sản xuất vật liệu in 3-D bền, để sản xuất cánh tay của mình.

Ngoài lĩnh vực kỹ thuật, Choi còn chơi thể thao rất cừ, làm chủ tịch hội sinh viên, một người viết truyện ngắn đã có tác phẩm xuất bản, một nghệ sĩ độc tấu violin với thành tích cao nhất trong một số cuộc thi và là người sáng lập một đội sinh viên Potomac thi đấu trên NBC chương trình đố vui "Đó là Học thuật."

Choi dự định sẽ thi vào ngành kỹ thuật khi lên đại học và muốn tiếp tục cải thiện về cánh tay robot của mình. Cậu đã đặt mục tiêu tiến hành một nghiên cứu lâm sàng với những bệnh nhân bị mất chi trên. Hiện Choi đã được cấp hai bằng sáng chế tạm thời cho phát minh của mình: một cho cấu trúc thần kinh và một cho thuật toán giải thích sóng não.

Choi cũng nói rằng thuật toán của mình có thể có những công dụng khác ngoài làm chân tay giả, chẳng hạn như iều khiển các thiết bị hỗ trợ như xe lăn và giúp bệnh nhân ALS (bệnh xơ cứng teo cơ một bên) giao tiếp. "Giải thích sóng não là một lĩnh vực mới nổi thực sự lớn.Thuật toán của tôi là thuật toán tốt nhất trong số các thuật toán được báo cáo trong tài liệu với một lợi nhuận khá đáng kể. Tôi nghĩ nó có thể có những ứng dụng lớn trong tương lai."

Nguồn smithsonianmag

Chủ đề liên quan

Chủ đề khác