[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了人类-机器人身体增强中的“神经资源分配”问题，提出了一套框架，可在不损害生物肢体控制的前提下整合额外的机械手臂和手指。通过结合神经科学、机器人学和人机交互原理，作者提出了一种多学科方法，实现对增强设备的轻松、自主控制，同时保持自然的运动功能。

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.

研究动机与目标

• 解决在不降低对生物肢体控制的前提下整合额外机器人肢体的挑战。
• 定义一种新范式——“神经资源分配”，以区分身体增强与遥控操作及假肢。
• 确保机器人增强不会以牺牲现有生物运动能力为代价。
• 建立有效、轻松且自主控制增强设备的跨学科基础。
• 整合工程学、神经科学、伦理学与人机交互，实现稳健的运动增强。

提出的方法

• 将“神经资源分配”问题作为身体增强的核心框架提出。
• 分析关于额外机器人手指和肢体的现有文献，识别控制与集成挑战。
• 应用感觉-运动整合与神经可塑性原理，实现无缝协调。
• 结合机器人学、神经科学与人机交互的洞见，设计非侵入性、直观的控制策略。
• 提出一种尊重神经资源限制并保留生物运动功能的跨学科设计方法。
• 运用伦理与法律考量，指导负责任增强技术的开发。

实验结果

研究问题

• RQ1 人类如何在不牺牲对生物肢体控制的前提下自主控制额外的机器人肢体？
• RQ2 哪些神经与认知机制使得人工肢体能够无缝融入现有运动控制？
• RQ3 如何在不降低生物肢体性能的前提下实现机器人增强？
• RQ4 在生物肢体与人工肢体之间分配神经资源的关键原则是什么？
• RQ5 如何在身体增强个体中优化双向人机协作？

主要发现

• “神经资源分配”问题与传统机器人学范式（如遥控操作和假肢）截然不同。
• 成功的增强需要在整合人工肢体的同时，保留对生物肢体的自主控制。
• 神经资源的限制要求采用智能分配策略，以避免认知或运动过载。
• 通过整合的感官-运动反馈与神经可塑性，可实现对附加肢体的有效控制。
• 结合神经科学、机器人学与伦理学的跨学科框架，对可行的人机身体增强至关重要。
• 本研究为未来非侵入性、直观且安全的机器人身体增强技术的发展奠定了基础原则。