[論文レビュー] Enhancing human bodies with extra robotic arms and fingers: The Neural Resource Allocation Problem

Giulia Dominijanni, Solaiman Shokur+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Neuroethics, Human Enhancement, Biomedical Innovations被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、人間-ロボット身体補強における「ニューラルリソース割り当て」問題を提示し、生物学的肢の制御を損なうことなく追加のロボットアームや指を統合するためのフレームワークを提案する。神経科学、ロボット工学、人間-機械インタラクションの原則を統合することで、自然な運動機能を維持したまま、直感的で自発的な補強デバイスの制御を可能にする多分野的アプローチを提示する。

ABSTRACT

The emergence of robot-based body augmentation promises exciting innovations that will inform robotics, human-machine interaction, and wearable electronics. Even though augmentative devices like extra robotic arms and fingers in many ways build on restorative technologies, they introduce unique challenges for bidirectional human-machine collaboration. Can humans adapt and learn to operate a new limb collaboratively with their biological limbs without sacrificing their physical abilities? To successfully achieve robotic body augmentation, we need to ensure that by giving a person an additional (artificial) limb, we are not in fact trading off an existing (biological) one. In this manuscript, we introduce the "Neural Resource Allocation" problem, which distinguishes body augmentation from existing robotics paradigms such as teleoperation and prosthetics. We discuss how to allow the effective and effortless voluntary control of augmentative devices without compromising the voluntary control of the biological body. In reviewing the relevant literature on extra robotic fingers and limbs we critically assess the range of potential solutions available for the "Neural Resource Allocation" problem. For this purpose, we combine multiple perspectives from engineering and neuroscience with considerations from human-machine interaction, sensory-motor integration, ethics and law. Altogether we aim to define common foundations and operating principles for the successful implementation of motor augmentation.

研究の動機と目的

• 生物学的肢の制御を損なうことなく、余分なロボット肢を統合する課題に対処すること。
• 身体補強と遠隔操作や義肢とは明確に区別される新しいパラダイム「ニューラルリソース割り当て」を定義すること。
• ロボット補強が既存の生物学的運動能力を犠牲にしないようにすること。
• 効果的で、直感的で、自発的な補強デバイスの制御を実現するための学際的基盤を確立すること。
• 工学、神経科学、倫理、人間-機械インタラクションを統合して、強固な運動補強を実現すること。

提案手法

• 身体補強の中心的なフレームワークとして「ニューラルリソース割り当て」問題を導入すること。
• 余分なロボット指や肢に関する既存の文献を分析し、制御と統合の課題を同定すること。
• 感覚運動統合と神経可塑性の原則を応用して、滑らかな協調制御を可能にすること。
• ロボット工学、神経科学、人間-機械インタラクションの知見を統合し、非侵襲的で直感的な制御戦略を設計すること。
• 神経リソースの制限を尊重し、生物学的運動機能を維持する多分野的設計アプローチを提唱すること。
• 倫理的・法的考慮をもとに、責任ある補強技術の開発を導くこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人間は、生物学的肢の制御を失うことなく、余分なロボット肢を自発的に制御できるか？
• RQ2 既存の運動制御に人工肢を滑らかに統合できる神経的・認知的メカニズムは何か？
• RQ3 生物学的肢の性能が低下することなく、ロボット補強をどのように実現できるか？
• RQ4 生物学的肢と人工肢の間で神経リソースを割り当てるための主要な原則は何か？
• RQ5 身体補強を受けた個人における双方向的人間-機械協働を最適化するにはどうすればよいか？

主な発見

• 「ニューラルリソース割り当て」問題は、遠隔操作や義肢といった従来のロボット工学パラダイムとは明確に異なる。
• 成功した補強には、生物学的肢の自発的制御を維持するとともに、人工肢を統合することが不可欠である。
• 神経リソースの制限は、認知的・運動的過負荷を避けるために知的な割り当て戦略を必要とする。
• 統合された感覚運動フィードバックと神経可塑性を活用することで、余分な肢の有効な制御が可能である。
• 神経科学、ロボット工学、倫理を統合した多分野的フレームワークは、実現可能な人間-ロボット身体補強に不可欠である。
• 本研究は、非侵襲的で直感的かつ安全なロボット身体補強の今後の開発に向けた基盤的原則を確立した。