I sensori EEG a secco controllano i robot dell'esercito

La tecnologia dell’interfaccia cervello-macchina (BMI), nonostante tutti i suoi decenni di sviluppo, attende ancora un utilizzo diffuso. Le ragioni includono hardware e software che non sono ancora all'altezza del compito negli approcci non invasivi che utilizzano sensori dell'elettroencefalogramma (EEG) posizionati sul cuoio capelluto e che la chirurgia è necessaria negli approcci che si basano su impianti cerebrali.

Ora, i ricercatori dell’Università della Tecnologia di Sydney (UTS), in Australia, in collaborazione con l’esercito australiano, hanno sviluppato prototipi di sensori a secco portatili che raggiungono il 94% della precisione dei sensori a umido di riferimento, ma senza l’imbarazzo di questi ultimi e i lunghi tempi di configurazione. , necessità di gel disordinati e affidabilità limitata al di fuori del laboratorio.

"I sensori a secco hanno funzionato male rispetto ai sensori bagnati argento su cloruro di argento standard", afferma Francesca Iacopi, della Facoltà di Ingegneria e Tecnologia dell'Informazione dell'UTS. "Ciò è particolarmente vero quando si monitorano i segnali EEG provenienti da aree curve del cuoio capelluto ricoperte di capelli. Ecco perché sono a forma di ago, ingombranti e scomode per gli utenti."

"Abbiamo utilizzato [i nuovi sensori] in un test sul campo per dimostrare il funzionamento a mani libere di un robot quadrupede utilizzando solo segnali cerebrali."—Francesca Iacopi, University of Technology Sydney

Iacopi, insieme a Chin-Teng Lin, un collega di facoltà specializzato nella ricerca sugli algoritmi BMI, hanno sviluppato sensori tridimensionali con micromodelli utilizzando grafene epitassiale di spessore subnanometrico per l'area di contatto. I sensori possono essere attaccati alla parte posteriore della testa, la posizione migliore per rilevare i segnali EEG dalla corteccia visiva, l’area del cervello che elabora le informazioni visive.

"Finché i capelli sono corti, i sensori forniscono un contatto con la pelle sufficiente e una bassa impedenza per poter essere confrontati bene in termini di rapporto segnale-rumore con i sensori bagnati", afferma Iacopi. "E li abbiamo usati in un test sul campo per dimostrare le operazioni a mani libere di un robot quadrupede utilizzando solo segnali cerebrali."

I sensori sono fabbricati su un substrato di silicio su cui viene steso uno strato di carburo di silicio cubico (3C-SiC) e modellato utilizzando fotolitografia e incisione per formare disegni di circa 10 micrometri di spessore. Secondo i ricercatori, i disegni tridimensionali sono fondamentali per ottenere un buon contatto con la parte curva e pelosa del cuoio capelluto. Viene quindi utilizzato un metodo di lega catalitica per far crescere il grafene epitassiale attorno alla superficie della struttura modellata.

I ricercatori hanno scelto il SiC su silicio perché è più facile da modellare e integrare con il silicio rispetto al solo SiC. E per quanto riguarda il grafene, "è estremamente conduttivo, è biocompatibile, è resiliente e altamente adesivo al suo substrato", afferma Iacopi. Inoltre, "può essere idratato e agire come una spugna per assorbire l'umidità e il sudore della pelle, aumentandone la conduttività e riducendone l'impedenza".

Interfaccia robotica cerebrale

Sono stati testati diversi modelli ed è stata scelta una struttura esagonale che fornisse il miglior contatto con la pelle attraverso i capelli. Tenendo presente la ridondanza, otto sensori sono stati collegati a un pad sensore personalizzato utilizzando pulsanti a spillo e sono stati poi utilizzati su una fascia elastica avvolta attorno al cranio dell'operatore. Tutti gli otto sensori hanno registrato segnali EEG a vari livelli a seconda della loro posizione e della pressione esercitata sulla fascia, spiega Lin. I risultati dei test sono stati pubblicati il ​​mese scorso su Applied Nano Materials.

Per testare i sensori, un operatore è dotato di una lente di realtà aumentata montata sulla testa che mostra sei quadrati bianchi tremolanti che rappresentano diversi comandi. Quando un operatore si concentra su un determinato riquadro, nella corteccia visiva viene prodotto un particolare biopotenziale collettivo che viene captato dai sensori. Il segnale viene inviato tramite Bluetooth a un decoder nel supporto, che converte il segnale nel comando desiderato e viene quindi trasmesso in modalità wireless a un ricevitore nel robot.

"Il sistema può emettere fino a nove comandi al momento, anche se solo sei comandi sono stati testati e verificati per l'uso con i sensori di grafene", afferma Lin. "Ogni comando corrisponde a un'azione o funzione specifica come andare avanti, girare a destra o fermarsi. Aggiungeremo altri comandi in futuro."