Não bastam preconceito, exclusão social e falta de autonomia para se deslocar. Para quem é tetraplégico, conduzir uma cadeira de rodas motorizada costuma ser exaustivo. Embora onerosos, os modelos atuais pecam pela ausência de recursos que ajustem velocidade e direção de acordo com o fluxo de transeuntes ou que possibilitem manobrar o equipamento com mais segurança e precisão – principalmente em vias estreitas ou sinuosas. Tampouco oferecem a opção de controle da navegação. Diante dessas lacunas, João Vitor Assis e Souza desenvolveu um assistente de navegação modular de baixo custo como projeto de mestrado em robótica assistiva – área em que a tecnologia é empregada para criar aparelhos que deem suporte a pessoas com deficiência –, na Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (Feec) da Unicamp.

O professor Eric Rohmer, orientador da pesquisa: “Nossa preocupação era trabalhar com aparelhos que possibilitassem uma leitura mais sensível do ambiente e dos comandos faciais”

 

“Vi uma palestra sobre robótica assistiva do professor Eric Rohmer [da Feec] ainda na graduação, na Universidade Federal de Juiz de Fora. Foi meu primeiro contato com esse tipo de pesquisa, o que despertou o meu interesse”, lembra Souza, cujo mestrado foi orientado justamente pelo professor que o inspirou. Já a ideia para seu projeto foi ganhando forma após tomar conhecimento sobre pesquisas em que tetraplégicos revelaram o desejo de retomar sua autonomia quando utilizam suas cadeiras de rodas robóticas. “Meu objetivo é oferecer uma gama de possibilidades para que o usuário esteja efetivamente no controle do que está fazendo”, conta ele.

Orientador da pesquisa, o professor Rohmer ressalta o ineditismo do trabalho. “Não existe ainda no mercado esse tipo de aparelho, com tudo o que o João desenvolveu. Um aparelho que entenda o ambiente e que possa tomar decisões no sentido de ajudar o cadeirante”, avalia. Vinculada a um dos mais longevos projetos em andamento, o Brainn (Instituto Brasileiro de Neurociência e Neurotecnologia), fundado há 11 anos no escopo do Cepid (Centros de Pesquisa, Inovação e difusão), a pesquisa contou com financiamentos múltiplos – da Finep (Financiadora de Estudos e Projetos), do próprio Brainn e de uma empresa alemã de motores.

O projeto, esclarece Souza, é composto por três módulos, para poder fornecer diferentes níveis de assistência. Para cada um, foi desenvolvido um algoritmo específico – utilizando métodos de inteligência computacional – que funciona como um controlador de velocidades e modulador. Todos foram instalados em um microcomputador embarcado na cadeira de rodas robotizada.

Compartilhando o controle

Batizado de módulo de controle compartilhado, o primeiro deles depende da atuação conjunta entre quem está na cadeira e o algoritmo. Tendo em mente a necessidade de manter os custos baixos, 16 sonares e dois lasers unidimensionais foram posicionados na cadeira e, segundo o engenheiro, “captam os obstáculos em seu entorno e os classificam em um mapa polar que permite 30 possibilidades teóricas de arranjo de obstáculos possíveis”.

Registrando o ambiente, esses aparelhos permitem o controle da velocidade a ser adotada pelos motores, funcionando como uma camada de segurança. Já o cadeirante define a direção a ser tomada utilizando uma interface – um aplicativo de smartphone instalado no veículo –, que lê seus comandos faciais, indo para frente, para trás, para a esquerda e para a direita. Forma-se, assim, um mecanismo anticolisões.

Por um lado, a escolha por sonares e lasers e, de outro, por um aplicativo de celular que captasse diferentes posições faciais, posteriormente transformadas em comandos para a cadeira, não foi puramente econômica, ressalta Rohmer. “Nossa preocupação era trabalhar com aparelhos que possibilitassem uma leitura mais sensível do ambiente e dos comandos faciais.” Os assistentes disponíveis, de acordo com o professor, não conseguem obter informações com a riqueza de detalhes desejada.

João Vitor Assis e Souza, autor da dissertação: “Meu objetivo é oferecer uma gama de possibilidades para que o usuário esteja efetivamente no controle”

Nada de fazer baliza

Ainda enquanto treinava a rede neural do primeiro módulo no simulador 3D, Souza percebeu a necessidade de desenvolver um aparato que assumisse a direção da cadeira em momentos de literal aperto. Isso porque, durante os experimentos, a ação de manobrar repetidamente o veículo em espaços muito pequenos e estreitos – mesmo que no ambiente virtual – o exauria.  Assim, nascia o AutoEMA (assistente de manobra de escape), módulo em que o controle da direção é assumido pela rede neural da cadeira, poupando o usuário da obrigação extenuante de dividir sua atenção entre a tela do seu celular, o ambiente ao seu redor e seu veículo para conseguir sair de um espaço diminuto. Concebeu-se, então, uma espécie de “piloto automático”.

Desenvolvido com base em uma heurística e treinado no simulador 3D já utilizado na primeira fase da pesquisa, esse módulo também trabalha com as informações fornecidas pelos sonares e lasers instalados na máquina. Entretanto, ao contrário do módulo anterior, somente entra em ação após ser ativado com um comando do usuário, via interface (aplicativo de leitura facial).

Seguindo o fluxo

Uma vez que o intuito era oferecer ferramentas para ampliar os níveis de autonomia, segurança e conforto de quem usa cadeiras robotizadas, o trabalho contemplou ainda a possibilidade de os usuários controlarem o ritmo da navegação. Assim surgiu o terceiro módulo, de velocidade adaptativa, que permite uma condução mais harmônica, seguindo o fluxo de pessoas em locais de grande circulação, como aeroportos, shoppings e universidades.

Diferentemente dos dois módulos anteriores, pontua Souza, o terceiro aparato funciona com base em informações fornecidas por um radar de ondas milimétricas, igualmente acoplado à cadeira. Esse radar, explica, rastreia a distância e a velocidade de qualquer obstáculo – uma pessoa, um objeto – que estiver se movendo na região frontal do veículo. “O algoritmo utiliza essas informações como referência para calcular a velocidade máxima da cadeira e ir ajustando o ritmo, no controlador, seguindo a movimentação geral”, esclarece o pesquisador. Serve, portanto, como mais um mecanismo de segurança.

Tese defendida, o próximo passo é testar a cadeira, já toda equipada, com pessoas portadoras de altas restrições de mobilidade. Devido à pandemia, não só o desenvolvimento como a validação do trabalho de Souza foram feitos em simuladores, como em um videogame. “Minha motivação em fazer esse projeto sempre foi ver o impacto real. Matematicamente, na simulação, vimos que os módulos são eficazes, que seu comportamento é apropriado. Mas validar ajuda a amadurecer o trabalho, ter um retorno”, conclui.

09 de Fevereiro de 2016

Brasileiros criam cadeira de rodas guiada por expressões faciais

A novidade foi apresentada na semana passada, durante a Campus Party, em São Paulo

Na semana passada, a startup brasileira Hoo.Box trouxe para a Campus Party 2017 um modelo de cadeira de rodas motorizada que pode ser controlada por meio da captura de expressões faciais. O projeto teve origem, em maio de 2016, durante pesquisas de alunos de pós-doutorado da Universidade de Campinas (a Unicamp).

A cadeira de rodas é acionada apenas com movimentos da face, o que ajuda pessoas que se encontram em situação de tetraplegia, a perda completa dos movimentos dos braços e das pernas. Paulo Pinheiros, CEO da Hoo.Box, explicou que o sistema funciona por meio de um kit batizado de Wheelie 7. O software é capaz de identificar as expressões faciais e transformá-las em impulsos elétricos que levam à movimentação da cadeira. “O interessante é que o Wheelie pode ser instalado em cadeira de rodas motorizadas comuns, vendidas no mercado”, ressaltou. “Não precisa ser acoplado a um equipamento especial”, completou.

24 de Janeiro de 2016

Todos nós adoraríamos controlar objetos com o poder da mente. Já imaginou? Você pensa em levantar o copo, o copo levanta. Pensa em trazer o controle remoto para mais perto do sofá e lá vem ele voando em sua direção. Sem esforço, sem suor. Apesar deste tipo de ‘controle cerebral’ ainda ser coisa de ficção científica, avanços incríveis têm sido feitos na área de controle de objetos utilizando apenas a mente. E com aplicações bem mais práticas do que simplesmente levantar o controle remoto!

Com a ajudinha de um computador, já é possível realizar movimentos complexos apenas pensando. Movimentos tão complexo quanto fazer uma cadeira de rodas se mexer, ou um braço robótico pegar objetos para você. A interface cérebro-computador é uma tecnologia fascinante para ajudar pessoas com dificuldades de movimento a ganhar muito mais liberdade e melhor qualidade de vida. Vamos ver alguns exemplos práticos neste texto.

UMA CADEIRA DE RODAS CONTROLADA PELA MENTE

Você deve se lembrar que apresentamos, aqui no Blog do BRAINN, as impactantes pesquisas realizadas no Instituto que permitem controlar uma cadeira de rodas usando apenas o poder do cérebro. Para quem perdeu esta novidade, clique nos links a seguir para ler as matérias.

Teste de protótipo da cadeira de rodas robótica na FEEC/UNICAMP.

A cadeira de rodas robótica sendo desenvolvida pelo BRAINN utiliza uma tecnologia chamada de Interface Cérebro-Computador para funcionar. Trata-se de uma maneira de fazer com que nosso cérebro ‘se comunique’ com uma máquina (o computador) e possa ser compreendido por ela. A partir disso, o computador poderá ser usado como intermediário para realizar diversas ações, como por exemplo controlar a cadeira de rodas.

Se quiser relembrar como a cadeira de rodas do BRAINN é controlada pelo cérebro, clique nos links acima para reler as reportagens. Em termos bem simples, a tecnologia desenvolvida no instituto interpreta sinais visuais como ordens de movimento à cadeira, fazendo-a se movimentar. É algo fascinante e que merece sempre ser relembrado.

Existem, também, outras maneiras de gerar movimento em objetos robóticos a partir de leituras cerebrais. Maneiras que independem de estímulo visual. Para que elas pudessem ser desenvolvidas, cientistas tiveram de compreender primeiro como funciona uma região específica do nosso cérebro: o córtex motor. É isso que veremos a seguir.

NEURÔNIOS DO MOVIMENTO, NEURÔNIOS DO PENSAMENTO

O córtex motor (a ‘fatia’ verde na imagem ao lado) é a região do cérebro que controla nossos movimentos.

Quando fazemos qualquer movimento, neurônios no córtex motor disparam, gerando uma pequena corrente elétrica. Por ser uma região do cérebro mais superficial, é possível usar aparelhos especiais para medir as correntes elétricas aí.

O mais legal dessa história é que o córtex motor está subdividido em seções bem específicas. Isto é, se você movimentar o braço direito, um determinado grupo de neurônios será ativado; se mexer a perna esquerda, outro grupo. Assim, ao mapear a atividade dos neurônios no córtex motor, é possível inferir quais partes do corpo estão se mexendo, com um grau bem alto de certeza.

Tudo isso já é conhecido dos cientistas faz tempo. Mas o córtex motor guarda ainda mais um segredo surpreendente: quando nós pensamos em um movimento – apenas pensamos, e não o realizamos -, grupos específicos de neurônios motores também são ativados! Isso é: se você pensa, por exemplo, em abrir a mão, um grupinho de neurônios no córtex motor dispara, mesmo que você, de fato, não tire a mão do lugar.

Hoje, a cadeira de rodas do BRAINN funciona captando sinais do córtex visual. Veja aqui os diferenciais desta técnica nos links acima!

Essa descoberta abriu um caminho interessante para as pesquisas científicas. Imagine uma pessoa que perdeu os movimentos dos braços. Já pensou se pudéssemos ‘ler’ a mente dela, detectar quais neurônios motores são ativados quando ela pensa em um movimento, e então transmitir estas ‘ordens’ para um equipamento, que simulasse o movimento real?

É essa a ideia – e a tecnologia – básica que poderia ser utilizada em objetos robóticos inteligentes. Pessoas que estão impossibilitadas de se mover – seja em decorrência de um derrame ou de qualquer outro problema de saúde – poderão ser treinadas para pensar em um movimento (do tipo, ‘ir para a frente!’) e, apenas com o pensamento, conseguirão controlar o robô para realizar essa ação. Será uma revolução na qualidade de vida de milhões de pessoas, que hoje sofrem com as limitações que a falta de movimentos traz.

UM FEITO INÉDITO DE MOVIMENTO 3D, CONTROLADO PELA MENTE

O BRAINN faz parte de grupos de pesquisas no mundo inteiro que têm realizado descobertas e feito avanços importantes no campo da Interface Cérebro-Computador. Um ótimo exemplo do que esta tecnologia já pode fazer foi dado no último mês por pesquisadores da Universidade de Minnesota, nos Estados Unidos.

Pela primeira vez, pessoas foram capazes de controlar um braço mecânico robótico em tarefas complexas, em um ambiente de três dimensões. As tarefas incluíam segurar objetos, erguê-los e levá-los de um lugar para o outro. Tudo isso usando apenas o poder do cérebro. E sem implante nenhum.

“Apenas imaginando que estavam mexendo seu próprio braço, elas eram capazes de mover o braço mecânico”, revela, orgulhoso, o professor de engenharia biomédica Bin He, um dos autores do estudo.

Para isso, os voluntários da pesquisa utilizavam uma touquinha especial repleta de eletrodos, capazes de detectar a atividade dos neurônios no córtex motor. Bem similar ao equipamento utilizado, também, pelos pesquisadores do BRAINN. Esses sinais eram transmitidos a um computador, que os decodificava utilizando algoritmos avançados e aprendizagem de máquina, passando depois as ‘ordens’ ao braço robótico.

80 voluntários foram treinados nesse experimento a movimentar o braço robótico usando o pensamento. 80% deles conseguiram a façanha de pegar um objeto colocado em posições randômicas em uma mesa. 70% deles conseguiram não apenas pegar o objeto, mas também colocá-lo em seguida em uma estante de três prateleiras, como mostra a imagem abaixo.

Imagem: Universidade de Michigan

“Isso é muito empolgante, pois todos os voluntários completaram a tarefa usando uma técnica completamente não-invasiva”, disse Bin.

“Nós vemos um grande potencial nessa pesquisa para ajudar pessoas que estão paralisadas ou que tenham doenças neurodegenerativas a se tornarem mais independentes, sem a necessidade de implantes cirúrgicos”, disse o pesquisador.

“Três anos atrás, nós não sabíamos se seria possível mover um braço robótico complexo, fazê-lo pegar e mover objetos utilizando a tecnologia da interface cérebro-computador. Nós ficamos surpresos e muito felizes que isso funcionou com uma taxa de sucesso tão alta”, afirma Bin He.

Será que, em poucos anos, veremos próteses robóticas implementadas em pessoas e sendo controladas apenas com o poder da mente? É um pensamento que já passou pela cabeça de muitos pesquisadores, e estudos nesse sentido já foram iniciados.

Quanto mais estudamos o cérebro, mais ele nos impressiona. Chegamos naquele ponto em que podemos controlar objetos remotamente, apenas pensando em um movimento. É o cérebro trabalhando de mãos dadas com a tecnologia. Isso poderá ajudar milhões de pessoas a conquistar mais liberdade e a superar as debilitantes dificuldades motoras causadas por doenças. Bem mais legal do que a ‘telecinese’ de controle remoto, não é mesmo?

Karina Toledo  |  Originalmente publicado na Agência FAPESP – Uma cadeira de rodas que pode ser controlada por pequenos movimentos da face, da cabeça ou da íris foi desenvolvida por pesquisadores da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas (FEEC/Unicamp).

O equipamento ainda é considerado experimental e de alto custo. Porém, um projeto aprovado recentemente pelo Programa Pesquisa Inovativa em Pequenas Empresas (PIPE), da FAPESP, tem como objetivo adaptar a tecnologia para torná-la mais acessível e colocá-la no mercado brasileiro dentro de dois anos.

“Nosso objetivo é que o produto final custe no máximo o dobro de uma cadeira motorizada comum, dessas que são controladas porjoystick e hoje custam em torno de R$ 7 mil”, disse o professor da FEEC/Unicamp Eleri Cardozo, que apresentou resultados da pesquisa durante o 3rd BRAINN Congress, realizado em Campinas de 11 a 13 de abril de 2016.

Segundo Cardozo, a tecnologia poderá beneficiar pessoas com tetraplegia, vítimas de acidente vascular cerebral (AVC), portadores de esclerose lateral amiotrófica ou outras condições de saúde que impedem o movimento preciso das mãos.

O trabalho, iniciado em 2011, contou inicialmente com apoio da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) e hoje é desenvolvido no âmbito do Instituto de Pesquisa sobre Neurociências e Neurotecnologia (BRAINN), um Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPID) apoiado pela FAPESP.

“Nosso grupo estudava técnicas de interface cérebro-computador (BCI, na sigla em inglês, métodos de aquisição e processamento de sinais que permitem a comunicação entre o cérebro e um dispositivo externo) e achamos que seria interessante avaliar a tecnologia em uma situação real”, contou Cardozo.

O grupo então adquiriu uma cadeira motorizada convencional, retirou o joystick e a equipou com diversos dispositivos normalmente encontrados em robôs, como sensores capazes de medir a distância de paredes e de outros objetos ou detectar diferenças de profundidade no piso.

O protótipo também foi equipado com um notebook que envia os comandos diretamente para a cadeira e com uma câmera 3D com a tecnologia RealSense, da Intel, que permite interagir com o computador por meio de expressões faciais ou movimentos corporais.

“A câmera identifica mais de 70 pontos da face – em torno da boca, do nariz e dos olhos – e, a partir da movimentação desses pontos, é possível extrair comandos simples, como ir para frente, para trás, para a esquerda ou direita e, o mais importante, parar”, explicou Cardozo.

Também é possível interagir com o computador por meio de comandos de voz, mas essa tecnologia é considerada menos confiável que as expressões faciais por causa das diferenças de timbre e da possível interferência de ruído ambiente.

“Essas limitações podem ser contornadas com a definição de um número reduzido de comandos e com uma função de treinamento incorporada ao software que otimiza a identificação dos comandos para um usuário específico”, disse Cardozo.

Pensando em pacientes com quadros ainda mais graves – que impedem até mesmo a movimentação facial – o grupo também trabalha em uma tecnologia de BCI que permite extrair sinais diretamente do cérebro, por meio de eletrodos externos, e transformá-los em comandos. O equipamento, no entanto, ainda não está embarcado na cadeira robotizada.

“Fizemos demonstrações em que uma pessoa fica sentada na cadeira e outra sentada próximo a uma mesa usando o capacete com os eletrodos e controlando a cadeira. Antes de embarcar o equipamento de BCI na cadeira precisamos solucionar algumas limitações, como a alimentação de energia. Ainda é uma tecnologia muito cara, mas está saindo uma nova geração de baixo custo, na qual o capacete pode ser impresso em 3D”, disse Cardozo.

A cadeira também foi equipada como uma antena wifi que permite a um cuidador dirigir o equipamento remotamente, pela internet. “Essas interfaces exigem do usuário um nível de concentração que pode ser cansativo. Por isso, se houver necessidade, a qualquer momento outra pessoa pode assumir o comando da cadeira”, contou Cardozo.

Startup

Dentre as metodologias já testadas pela equipe da Unicamp, a interface baseada em captura e processamento de expressões faciais tem se mostrado a mais promissora no curto prazo e, portanto, será o foco do projeto desenvolvido no âmbito do programa PIPE sob a coordenação do pesquisador Paulo Gurgel Pinheiro. Para isso, o grupo criou a startup HOO.BOX Robotics.

“A empresa é um spin-off do meu pós-doutorado, cujo objetivo era desenvolver interfaces para dirigir uma cadeira de rodas com o mínimo de esforço possível do usuário. Inicialmente testamos sensores capazes de captar contrações dos músculos da face, depois evoluímos para tecnologias de imagem capazes de captar expressões faciais sem a necessidade de sensores”, contou Pinheiro.

Em vez de criar uma cadeira robotizada, como é o caso do protótipo da Unicamp, o grupo pretende, para reduzir o custo, desenvolver um software e uma minigarra mecânica que poderiam ser implantados em qualquer cadeira motorizada com joystick já existente no mercado.

“Nossa ideia é que o usuário possa baixar o software que fará o processamento das expressões faciais em seu notebook. O computador ficará conectado a essa minigarra por meio de uma porta USB. Quando ele fizer as expressões-chave, como um beijo, um meio sorriso, franzir o nariz, inflar as bochechas ou levantar as sobrancelhas, o software manda o comando para a garra e essa movimenta o joystick. Dessa forma, não mexemos na estrutura da cadeira e ela não perde a garantia”, explicou Pinheiro.

O pesquisador estima que um protótipo do sistema, batizado de Wheelie, estará pronto até o início de 2017. Dois desafios deverão ser vencidos nesse período: melhorar a classificação das expressões faciais, de modo a evitar que a interpretação dos sinais fique prejudicada por diferenças na iluminação ambiente, e garantir que apenas as expressões faciais do usuário da cadeira sejam capturadas quando houver outras pessoas próximas.

“A tecnologia também poderá, no futuro, ajudar na recuperação de pessoas que sofreram AVC ou outro tipo de lesão cerebral, pois o paciente poderá observar o avanço na realização de movimentos e ficará mais motivado a seguir o tratamento”, disse Pinheiro.