Los sensores EEG secos controlan los robots del ejército

La tecnología de interfaz cerebro-máquina (BMI), a pesar de todas sus décadas de desarrollo, aún espera un uso generalizado. Las razones incluyen hardware y software que aún no están a la altura de la tarea en enfoques no invasivos que usan sensores de electroencefalograma (EEG) colocados en el cuero cabelludo, y que se requiere cirugía en enfoques que dependen de implantes cerebrales.

Ahora, investigadores de la Universidad de Tecnología de Sydney (UTS), Australia, en colaboración con el ejército australiano, han desarrollado prototipos de sensores secos portátiles que logran el 94 por ciento de la precisión de los sensores húmedos de referencia, pero sin la incomodidad de estos últimos y el largo tiempo de configuración. , necesidad de geles desordenados y confiabilidad limitada fuera del laboratorio.

"Los sensores secos han tenido un rendimiento deficiente en comparación con los sensores húmedos estándar de plata sobre cloruro de plata", dice Francesca Iacopi, de la Facultad de Ingeniería y Tecnología de la Información de la UTS. "Este es especialmente el caso cuando se monitorean las señales de EEG de áreas curvas del cuero cabelludo cubiertas de cabello. Es por eso que tienen forma de aguja, son voluminosas e incómodas para los usuarios".

"Usamos [los nuevos sensores] en una prueba de campo para demostrar las operaciones de manos libres de un robot cuadrúpedo usando solo señales cerebrales".—Francesca Iacopi, Universidad de Tecnología de Sydney

Iacopi, junto con Chin-Teng Lin, un colega de la facultad que se especializa en la investigación de algoritmos de IMC, ha desarrollado sensores tridimensionales con micropatrones utilizando grafeno epitaxial de subnanómetros de espesor para el área de contacto. Los sensores se pueden conectar a la parte posterior de la cabeza, la mejor ubicación para detectar señales de EEG de la corteza visual, el área del cerebro que procesa la información visual.

"Mientras el cabello sea corto, los sensores brindan suficiente contacto con la piel y baja impedancia para comparar bien en una base de señal a ruido con sensores húmedos", dice Iacopi. "Y los hemos usado en una prueba de campo para demostrar las operaciones de manos libres de un robot cuadrúpedo usando solo señales cerebrales".

Los sensores se fabrican sobre un sustrato de silicio sobre el que se coloca una capa de carburo de silicio cúbico (3C-SiC) y se modela mediante fotolitografía y grabado para formar diseños de aproximadamente 10 micrómetros de espesor. Los diseños tridimensionales son cruciales para obtener un buen contacto con la parte curva y peluda del cuero cabelludo, según los investigadores. Luego se usa un método de aleación catalítica para hacer crecer el grafeno epitaxial alrededor de la superficie de la estructura estampada.

Los investigadores eligieron SiC sobre silicio porque es más fácil modelar e integrar con silicio que con SiC solo. Y en cuanto al grafeno, "es extremadamente conductor, es biocompatible y es resistente y altamente adhesivo a su sustrato", dice Iacopi. Además, "puede hidratarse y actuar como una esponja para absorber la humedad y el sudor de la piel, lo que aumenta su conductividad y disminuye la impedancia".

Interfaz de robótica cerebral

Se probaron varios patrones y se eligió una estructura hexagonal que proporcionaba el mejor contacto con la piel a través del cabello. Teniendo en cuenta la redundancia, se conectaron ocho sensores a una almohadilla de sensor hecha a medida mediante botones de clavija y luego se empleó en una banda elástica para la cabeza que envolvía el cráneo del operador. Los ocho sensores registraron señales de EEG en diversos grados según su ubicación y la presión de la banda para la cabeza, explica Lin. Los resultados de las pruebas se publicaron el mes pasado en Applied Nano Materials.

Para probar los sensores, un operador está equipado con una lente de realidad aumentada montada en la cabeza que muestra seis cuadrados blancos parpadeantes que representan diferentes comandos. Cuando un operador se concentra en un cuadrado específico, se produce un biopotencial colectivo particular en la corteza visual y lo captan los sensores. La señal se envía a un decodificador en el soporte a través de Bluetooth, que convierte la señal en el comando deseado y luego se transmite de forma inalámbrica a un receptor en el robot.

"El sistema puede emitir hasta nueve comandos en la actualidad, aunque solo se han probado y verificado seis comandos para su uso con los sensores de grafeno", dice Lin. "Cada comando corresponde a una acción o función específica, como avanzar, girar a la derecha o detenerse. Agregaremos más comandos en el futuro".

El ejército australiano llevó a cabo con éxito dos pruebas de campo utilizando un robot cuadrúpedo. En la primera prueba, el operador soldado hizo que el robot siguiera una serie de guías visuales dispuestas sobre un terreno accidentado. La segunda prueba hizo que el operador asumiera el papel de comandante de sección. Proporcionó instrucciones tanto al robot como a los soldados del equipo mientras realizaban una limpieza simulada de varios edificios en un escenario de guerra urbana, con el robot precediendo a los soldados en la inspección de los edificios.