[논문 리뷰] Enhancing human bodies with extra robotic arms and fingers: The Neural Resource Allocation Problem

Giulia Dominijanni, Solaiman Shokur외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 31.

Neuroethics, Human Enhancement, Biomedical Innovations인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 인간-로봇 신체 보정에서 '신경 자원 배분' 문제를 제안하며, 생물학적 사지의 제어를 훼손하지 않고도 추가 로봇 팔과 손가락을 통합할 수 있는 프레임워크를 제시한다. 신경과학, 로봇공학, 인간-기계 상호작용 원리를 융합함으로써, 생물학적 운동 기능을 유지하면서도 자연스럽고 자발적인 보정 장치 제어를 가능하게 하는 다학제적 접근을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 사지의 제어를 악화시키지 않고 추가 로봇 사지를 통합하는 데 도전하는 것.
• 텔레옵테이션과 보철물과는 구별되는 새로운 범주인 '신경 자원 배분'을 정의하는 것.
• 로봇 보정이 기존 생물학적 운동 능력을 희생시키지 않도록 보장하는 것.
• 보정 장치에 대한 효과적이고, 자연스럽고, 자발적인 제어를 위한 다학제적 기초를 마련하는 것.
• 공학, 신경과학, 윤리학, 인간-기계 상호작용을 융합하여 강력한 운동 보정을 위한 기반을 마련하는 것.

제안 방법

• 신체 보정의 핵심 프레임워크로 '신경 자원 배분' 문제를 도입하는 것.
• 기존의 추가 로봇 손가락과 사지에 관한 문헌을 분석하여 제어 및 통합 과제를 규명하는 것.
• 감각-운동 통합과 신경가소성 원리를 적용하여 원활한 조율을 가능하게 하는 것.
• 로봇공학, 신경과학, 인간-기계 상호작용의 통찰을 융합하여 비침습적이고 직관적인 제어 전략을 설계하는 것.
• 신경 자원의 한계를 존중하고 생물학적 운동 기능을 유지하는 다학제적 설계 접근법을 제안하는 것.
• 윤리적 및 법적 고려사항을 바탕으로 책임감 있는 보정 기술 개발을 이끄는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사람들은 생물학적 사지를 제어하지 않으면서도 추가 로봇 사지를 자발적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 기존 운동 제어에 인공 사지를 원활하게 통합할 수 있게 해주는 신경 및 인지 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 생물학적 사지의 성능이 떨어지지 않도록 로봇 보정을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 생물학적 사지와 인공 사지 간의 신경 자원을 할당하는 데 핵심이 되는 원칙은 무엇인가?
• RQ5 신체 보정된 개인에서 이원적 인간-기계 협업을 최적화하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• '신경 자원 배분' 문제는 텔레옵테이션과 보철물과 같은 전통적 로봇공학 패러다임과 명백히 구별된다.
• 성공적인 보정은 인공 사지를 통합하면서도 생물학적 사지의 자발적 제어를 유지해야 한다.
• 신경 자원의 한계는 인지적 또는 운동적 과부하를 피하기 위해 지능적인 할당 전략이 필요함을 시사한다.
• 통합된 감각-운동 피드백과 신경가소성 덕분에 추가 사지의 효과적인 제어가 가능하다.
• 생물학적 운동 기능을 유지하면서도 실현 가능한 인간-로봇 신체 보정을 위해 신경과학, 로봇공학, 윤리학을 융합한 다학제적 프레임워크가 필수적이다.
• 이 연구는 비침습적이고 직관적이며 안전한 로봇 신체 보정 기술의 향후 개발을 위한 기초 원칙을 설정한다.