Jovem do ensino médio cria braço controlado pela mente e barato

Dez anos atrás, quando Benjamin Choi estava na terceira série, ele assistiu a um documentário “60 Minutes” sobre uma prótese controlada pela mente. Os pesquisadores implantaram pequenos sensores no córtex motor do cérebro de uma paciente que movia um braço robótico usando apenas seus pensamentos. Choi ficou fascinado com o conceito, comparando-o a algo saído de um filme de Star Wars .

“Fiquei muito, muito surpreso na época porque essa tecnologia era tão impressionante”, diz ele. “Mas também fiquei alarmado com o fato de eles exigirem essa cirurgia cerebral aberta realmente arriscada. E eles são tão inacessíveis, custando centenas de milhares de dólares.”

Anos depois, quando a pandemia chegou em 2020, Choi – um aluno da décima série que mora na Virgínia – de repente se viu com bastante tempo livre. O laboratório em que ele planejava passar o verão pesquisando combustíveis de alumínio havia fechado. Mas o documentário que ele tinha visto anos antes ficou com ele, e ele decidiu usar seu tempo livre para construir uma prótese de braço menos invasiva.

Em seu laboratório improvisado na mesa de pingue-pongue do porão (onde às vezes trabalhava 16 horas por dia!), Choi projetou de forma independente a primeira versão de seu braço robótico usando a impressora 3D de US$ 75 de sua irmã e um pouco de linha de pesca. A impressora não conseguia construir peças com mais de 4,7 polegadas de comprimento, então Choi imprimiu o braço em pedaços minúsculos e o prendeu e amarrou com elástico. No total, levou cerca de 30 horas para imprimir. Esta versão funcionava usando dados de ondas cerebrais e gestos de cabeça, e Choi postou instruções on-line para qualquer um construir seus próprios.

Ele tinha alguma experiência anterior na construção de robôs e codificação de participar de robótica competitiva nos níveis fundamental, médio e médio, até mesmo indo para os campeonatos mundiais várias vezes. Começando na nona série, ele aprendeu sozinho as linguagens de programação de computadores Python e C++ assistindo a vídeos no Stack Overflow, um site para programadores.

Depois de mais de setenta e cinco iterações de design, o braço robótico não invasivo e controlado pela mente de Choi agora é feito de materiais de engenharia capazes de suportar pesos de até cerca de quatro toneladas. Ele opera usando um algoritmo impulsionado por inteligência artificial (IA) que interpreta as ondas cerebrais de um usuário. E custa apenas cerca de US$ 300 para fabricar – uma economia enorme em comparação com o que está atualmente no mercado. Uma prótese de membro superior mais básica, movida ao corpo, custa cerca de US$ 7.000. A partir de 2015, o muito avançado membro protético modular de braço inteiro, que tem 26 articulações, centenas de sensores e pode enrolar até 45 libras, custava cerca de US $ 500.000. Essa prótese, combinada com uma cirurgia para redirecionar os nervos que antes controlavam o braço, permite que os pacientes comandem o membro com seus pensamentos e até sintam a textura através dele.

A invenção rendeu a Choi, agora com 17 anos de idade na Potomac School, na Virgínia, um lugar entre os 40 finalistas do Regeneron Science Talent Search deste ano, a competição de ciências e matemática mais antiga e prestigiada do país para alunos do ensino médio. A vencedora do primeiro lugar deste ano foi Christine Ye, de Sammamish, Washington, que desenvolveu uma maneira de analisar as ondas gravitacionais emitidas por colisões entre estrelas de nêutrons.

“Significa muito para mim ver que meu trabalho é reconhecido assim”, diz Choi. “Estou definitivamente muito grato por ser um finalista.”

Estima-se que 2 milhões de pessoas vivem com a perda de um membro nos Estados Unidos e cerca de 185.000 amputações ocorrem todos os anos. A Organização Mundial da Saúde afirma que apenas uma em cada dez pessoas que precisam de produtos assistivos, incluindo próteses e órteses, têm acesso a eles, citando “alto custo” e “falta de conscientização, disponibilidade, pessoal treinado, política e financiamento”.

O braço de Choi usa eletroencefalografia, ou EEG, para evitar as técnicas invasivas de outras próteses. Dispositivos de EEG registram a atividade elétrica do cérebro usando sensores colocados na cabeça.

Eles são frequentemente usados ​​na medicina para diagnosticar epilepsia ou outros distúrbios cerebrais.

Seu sistema usa dois eletrodos: um sensor de linha de base que se prende no lóbulo da orelha e outro na testa que coleta dados de EEG. O eletrodo da testa capta informações de ondas cerebrais, que são enviadas para um microchip no braço protético via Bluetooth. Um modelo de IA que Choi criou, também embutido no chip, decifra os dados e os converte em uma previsão do que o cérebro está pensando. O braço também se move usando gestos de cabeça e para com piscadas intencionais.

Seis meses depois de começar a construir o braço, ele postou um vídeo no YouTube demonstrando sua destreza. A prótese chamou a atenção de Joseph Dunn, um amputado de membro superior da Pensilvânia. Choi começou a consultá-lo remotamente sobre o design.

“Trabalhar com o Sr. Dunn tornou este projeto realmente impactante e realmente inspirador e motivador”, diz Choi. “Talvez isso pareça um pouco clichê, mas você pode realmente ajudar as pessoas, eu acho, através da engenharia, através da tecnologia.”

O jovem inventor conseguiu financiamento do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em 2021 para continuar sua pesquisa e trabalhar com especialistas da universidade. Por cerca de seis meses, ele experimentou a computação em nuvem para tornar o braço compatível com a internet.

“Esses modelos de IA podem ficar tão grandes”, diz ele. “Eu estava pensando em armazená-los na nuvem e depois fazer com que meu braço se comunicasse via Wi-Fi.”

Mas isso não funcionou por dois motivos. Primeiro, levava muito tempo para o braço responder aos pensamentos do usuário.

“Isso não é o ideal, porque especialmente para próteses, você quer que elas funcionem em tempo real muito rapidamente”, diz ele.

Em segundo lugar, um usuário precisaria estar constantemente conectado ao Wi-Fi, o que não é prático, explica Choi. Em vez disso, ele comprimiu seu modelo de IA – que contém vários submodelos – e o armazenou em um microchip de núcleo duplo dentro do braço.

Para criar seu modelo de IA, ele trabalhou de forma independente com seis voluntários adultos por cerca de duas horas cada, coletando seus dados de ondas cerebrais em sua escola e em casa. Ao coletar os dados por meio de um eletrodo na testa, ele pediu a cada participante que se concentrasse em abrir e fechar a mão.

Ele treinou a IA para distinguir entre os sinais cerebrais, e o modelo de IA aprende continuamente com as ondas cerebrais de um usuário.

“Quanto mais você o usa, mais ele descobre especificamente como você pensa, quais são seus padrões de ondas cerebrais, até que a precisão realmente aumente significativamente para você ao longo do tempo”, explica Choi.

No total, o algoritmo tem mais de 23.000 linhas de código, com 978 páginas de matemática e sete sub-algoritmos completamente novos. O algoritmo de Choi funciona com uma precisão média de 95%. Ele diz que o padrão-ouro anterior para uma rede neural artificial semelhante era de 73,8% .

Brock Wester, engenheiro biomédico da Universidade Johns Hopkins com experiência em neuroprótese, diz que a tecnologia de Choi é impressionante, especialmente quando se considera que a prótese no documentário “60 Minutes” teve uma grande equipe de pesquisadores trabalhando nela, enquanto Choi projetou o braço inteiro ele mesmo.

“O fato de ele ter sido capaz de construir esse membro, desenvolver os controles para ele e os algoritmos para decodificar seus sinais neurais em tempo real para enviar esses sinais de controle, acho isso simplesmente notável”, diz Wester. “Ele deve continuar fazendo pesquisas neste espaço, porque acho que ele pode fazer muitas contribuições importantes.”

Wester observa que Choi ainda precisa fazer mais engenharia, especialmente quando se pensa em como o membro se conecta ao corpo do usuário. Neste ponto, o braço é conectado a um poste fixo em uma plataforma. Choi diz que eventualmente projetará um soquete, mas esse processo exigirá um ajuste personalizado para o usuário.

No verão passado, Choi foi selecionado como Simons Fellow na Stony Brook University, onde trabalhou remotamente com Ji Liu, professor do departamento de engenharia elétrica e de computação, no algoritmo de aprendizado de máquina de sua IA. Com conselhos de alto nível sobre o algoritmo, incluindo como construir conjuntos de dados de treinamento mais abrangentes para ele, Choi trabalhou nos detalhes por conta própria.

A novidade por trás do projeto de Choi é que ele “aplicou técnicas de aprendizado de máquina de última geração ao seu sistema de braço robótico”, diz Liu, acrescentando que o desempenho do braço de baixo custo é comparável a máquinas mais caras e avançadas.

“Ele não é apenas muito inteligente, mas também trabalha duro e independente”, diz Liu sobre Choi. “Isso também é bastante notável em comparação com estudantes de pós-graduação.”

Choi também ganhou prêmios na Regeneron International Science and Engineering Fair, na Microsoft Imagine Cup e na National At-Home STEM Competition. Ele recebeu uma bolsa de fabricação em outubro de 2020 da PolySpectra, Inc., uma empresa que produz materiais duráveis ​​impressos em 3D, para produzir seu braço.

Fora da engenharia, Choi é um jogador de squash de nível nacional, presidente do corpo estudantil de sua escola, autor de contos publicados, solista de violino com melhores resultados em várias competições e fundador de uma equipe de alunos do Potomac que competiu na NBC quiz show “É Acadêmico.”

Choi planeja estudar engenharia na faculdade e quer continuar melhorando sua prótese de braço. Ele tem como objetivo realizar um estudo clínico com pacientes com perdas de membros superiores. Ele já adquiriu duas patentes provisórias para sua invenção: uma para a neuroprótese e outra para o algoritmo de interpretação de ondas cerebrais.

Choi diz que seu algoritmo pode ter usos além de próteses, incluindo o controle de dispositivos assistivos como cadeiras de rodas e ajudar pacientes com ELA a se comunicarem.

“A interpretação das ondas cerebrais é um campo emergente realmente grande”, diz ele. “Meu algoritmo é o melhor de todos os algoritmos relatados na literatura por uma margem bastante significativa. Acho que pode ter grandes aplicações daqui para frente.”