Sensores secos de EEG controlam robôs do exército

A tecnologia de interface cérebro-máquina (IMC), apesar de todas as suas décadas de desenvolvimento, ainda aguarda uso generalizado. Os motivos incluem hardware e software que ainda não estão à altura da tarefa em abordagens não invasivas que usam sensores de eletroencefalograma (EEG) colocados no couro cabeludo e porque a cirurgia é necessária em abordagens que dependem de implantes cerebrais.

Agora, pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Sydney (UTS), Austrália, em colaboração com o Exército Australiano, desenvolveram sensores secos protótipos portáteis que atingem 94% da precisão dos sensores úmidos de referência, mas sem o constrangimento e a configuração demorada destes últimos. tempo, necessidade de géis sujos e confiabilidade limitada fora do laboratório.

“Os sensores secos tiveram um desempenho ruim em comparação com a prata padrão ouro em sensores úmidos de cloreto de prata”, diz Francesca Iacopi, da Faculdade de Engenharia e TI da UTS. “Este é especialmente o caso ao monitorar sinais de EEG de áreas curvas do couro cabeludo cobertas de cabelo. É por isso que eles são em forma de agulha, volumosos e desconfortáveis ​​para os usuários.”

“Nós usamos [the new sensors] em um teste de campo para demonstrar as operações de mãos livres de um robô quadrúpede usando apenas sinais cerebrais.”
—Francesca Iacopi, Universidade de Tecnologia de Sydney

Iacopi, juntamente com Chin-Teng Lin, um colega de faculdade especializado em pesquisa de algoritmos de IMC, desenvolveram sensores micropadronizados tridimensionais usando grafeno epitaxial de espessura subnanométrica para a área de contato. Os sensores podem ser fixados na parte de trás da cabeça, o melhor local para detectar sinais de EEG do córtex visual, a área do cérebro que processa a informação visual.

“Desde que o cabelo seja curto, os sensores fornecem contato com a pele suficiente e baixa impedância para comparar bem em uma base sinal-ruído com sensores molhados”, diz Iacopi. “E nós os usamos em um teste de campo para demonstrar as operações de mãos livres de um robô quadrúpede usando apenas sinais cerebrais.”

Os sensores são fabricados em um substrato de silício sobre o qual uma camada de carboneto de silício cúbico (3C-SiC) é colocada e padronizada usando fotolitografia e corrosão para formar designs de aproximadamente 10 mícrons de espessura – designs tridimensionais são cruciais para obter um bom contato com a parte curva e cabeluda do couro cabeludo, de acordo com os pesquisadores. Um método de liga catalítica é então usado para cultivar grafeno epitaxial ao redor da superfície da estrutura padronizada.

Os pesquisadores escolheram o SiC no silício porque é mais fácil padronizar e integrar com o silício do que com o SiC sozinho. E quanto ao grafeno, “é extremamente condutivo, biocompatível, resiliente e altamente aderente ao seu substrato”, diz Iacopi. Além disso, “pode ser hidratado e agir como uma esponja para absorver a umidade e o suor da pele, o que aumenta sua condutividade e diminui a impedância”.

Interface de Robótica Cerebral

Vários padrões foram testados e foi escolhida uma estrutura hexagonal que proporcionasse o melhor contato com a pele através do cabelo. Com a redundância em mente, oito sensores foram anexados a uma almofada de sensor feita sob medida usando botões de pinos e, em seguida, empregados em uma faixa elástica enrolada no crânio do operador. Todos os oito sensores registraram sinais de EEG em graus variados, dependendo de sua localização e da pressão da faixa de cabeça, explica Lin. Os resultados dos testes foram publicados no mês passado em Nano Materiais Aplicados.

Para testar os sensores, um operador também é equipado com uma lente de realidade aumentada montada na cabeça que exibe seis quadrados brancos piscando representando diferentes comandos. Quando ele ou ela se concentra em um quadrado específico, um determinado biopotencial coletivo é produzido no córtex visual e captado pelos sensores. O sinal é enviado para um decodificador no suporte via Bluetooth, que converte o sinal no comando pretendido e é então transmitido sem fio para um receptor no robô.

“O sistema pode emitir até nove comandos atualmente, embora apenas seis comandos tenham sido testados e verificados para uso com os sensores de grafeno”, diz Lin. “Cada comando corresponde a uma ação ou função específica, como avançar, virar à direita ou parar. Adicionaremos mais comandos no futuro.”

O Exército Australiano realizou com sucesso dois testes de campo usando um robô quadrúpede. No primeiro teste, o soldado operador fez o robô seguir uma série de guias visuais estabelecidos em terreno acidentado. O segundo teste fez com que o operador assumisse o papel de comandante de seção. Ele forneceu instruções tanto para o robô quanto para os soldados da equipe enquanto eles conduziam uma limpeza simulada de vários prédios em um cenário de guerra urbana, com o robô precedendo os soldados na verificação dos prédios.