UM ESTUDO SOBRE INTERFACE CÉREBRO
COMPUTADOR E SUA UTILIZAÇÃO EM DISPOSITIVOS
ROBÓTICOS
Guilherme Rodrigues Ribeiro¹, Wyllian Fressatti¹, José de Moura Júnior¹ 1Universidade Paranaense (Unipar)
Paranavaí– PR – Brasil
guigsribeiro@gmail.com, wyllian@unipar.br, juniormouraj@hotmail.com
Resumo. Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre a Interface
Cérebro Computador (ICC), seus conceitos e técnicas utilizadas. As ferramentas Emotiv e Arduino, foram as que melhor atenderam aos requisitos para criar um protótipo de baixo custo aos portadores de deficiência motora. O Emotiv é uma ICC que utiliza EEG para captar as ondas cerebrais através de eletrodos que captam os sinais elétricos através do couro cabeludo. O Arduino é uma Plataforma de hardware livre que vem se desenvolvendo e oferecendo diversas ferramentas para criação de projetos diversos. Neste trabalho será desenvolvido um robô que será comandado através de expressão facial ou pensamento com o intuito de validar as hipóteses.
1. Introdução
Segundo Nicolelis [2006] os estudos relacionados à Interface Cérebro Computador ou em inglês, Brain Computer Interface, começaram por volta da década de 70 e ultimamente essas pesquisas tiveram um grande avanço tecnológico quando se diz respeito à interação entre o humano e um computador ou dispositivo externo. Devido a esse crescimento, nos últimos anos, a ICC tornou-se cada vez mais essencial para a realização das atividades humanas, pois tem demonstrando inúmeras vantagens, dentre elas auxiliar seres humanos em diversas situações, desde as mais simples até as mais complexas e, também, na reabilitação de pessoas. A ICC funciona como um meio de saída inteiramente nova para o cérebro, desde que as atividades cerebrais responsáveis pela movimentação do membro que sofreu lesão estejam inteiramente conservadas.
A comunicação entre o usuário e o dispositivo com fio possui algumas desvantagens significativas, pois acaba tornando-se limitada. Neste caso, o dispositivo não possuirá sua movimentação completa, já que o mesmo está conectado com o computador por cabos que são responsáveis pela comunicação entre os dois dispositivos. Já na comunicação sem fio esse problema não ocorre, pois ela pode acontecer através de infravermelho, bluetooth e radiofrequências, assim, a abrangência da atividade é muito maior em relação à anterior, visto que, o robô não possui nenhum fio limitando a sua mobilidade. A figura 1 a seguir ilustra como funciona o processo de Interface Cérebro Computador. Primeiramente há a aquisição das atividades cerebrais e o envio desses sinais para um software específico em que é realizada a codificação, por fim são transformados em ações para o dispositivo externo.
Figura 1. Método de como funciona ICC (MELO et al; 2013). 2. Tipos de Interface Cérebro Computador
Um dos mais influentes pesquisadores de ICC é o neurocientista brasileiro Miguel Nicolelis. Junto com a sua equipe de pesquisadores, Nicolelis criou a primeira experiência de ICC invasiva em que um primata realizou a atividade de movimentar um braço robótico utilizando apenas suas atividades cerebrais de movimento do braço. Basicamente, existem duas formas de classificação para as categorias dessas interfaces: invasiva e não invasiva. A seguir, serão apresentadas cada uma dessas categorias com suas respectivas características.
2.1 Método invasivo
O método invasivo, de acordo com Machado et. al [2008], é um processo realizado através de um procedimento cirúrgico que consiste na implantação de um eletrodo no córtex cerebral do paciente. Esse eletrodo, por sua vez, tem a finalidade de captar os sinais elétricos das atividades de cada neurônio responsáveis pelos pensamentos, expressões ou emoções e transmiti-los a um software específico, responsável por codificar esses sinais e transformá-los em ações para o dispositivo externo ou outra aplicação.
O sinal da transmissão possui boa qualidade já que não há interferências do meio externo por conta do eletrodo estar implantado no cérebro da pessoa. Em contrapartida, este procedimento coloca em riscos a vida do ser humano, uma vez que o mesmo é colocado no cérebro do paciente, podendo ocorrer reações contra o objeto.
Essa técnica, primeiramente, era realizada apenas em animais, mas com o grande avanço da ICC, ultimamente, algumas pesquisas já estão sendo realizadas em seres humanos. A seção 3 apresenta algumas aplicações que utilizam este procedimento. 2.2 Método não invasivo
Para a implantação da ICC não invasiva, ao contrário da primeira, não é realizado nenhum meio cirúrgico em relação à captação de sinais cerebrais. Segundo Machado et. al [2008], o procedimento é feito através de ferramentas que utilizam EEG, em que a atividade cerebral é adquirida, registrada e armazenada, graças aos potenciais de corrente elétrica distribuída pela superfície do cérebro. Os eletrodos são posicionados, estrategicamente, sob o couro cabeludo onde são medidas as voltagens e correntes, que
por sua vez são filtradas e amplificadas, podendo ser emuladas e interpretadas através de um software.
Em comparação ao método anterior, o método não invasivo perde em qualidade, pois o couro cabeludo bloqueia grande parte dos sinais elétricos, que chegam com pouca intensidade até os eletrodos e há também a possibilidade de interferência do meio externo.
3. Trabalhos desenvolvidos com ICC
De acordo com Costa & Oliveira [2008], as primeiras pesquisas e experimentos que utilizavam ICC foram realizadas em animais. Com o passar dos anos, a evolução e o crescimento das pesquisas e inovações tecnológicas foram fundamentais para a sociedade. Essas evoluções colaboraram para que os estudos em Interface Cérebro-Computador despertasse o interesse de cientistas, pesquisadores e até mesmo acadêmicos de diversas universidades.
Atualmente, a maioria das aplicações existentes está direcionada para pessoas que possuem deficiências físicas e pessoas paraplégicas que poderão mover o equipamento através do pensamento.
O projeto desenvolvido para a paciente Cathy Hutchinson é um exemplo de aplicação de ICC responsável por movimentar um braço mecânico através do pensamento. Hutchinson, cinquenta e nove anos, tetraplégica há quinze, foi submetida ao projeto denominado Brain Gate. Neste projeto, Hutchinson conseguia movimentar um braço robótico sendo capaz de capturar uma garrafa térmica e levá-la até a sua boca, tudo através de seu pensamento [CORTES, 2012]. A figura 2 ilustra a usuária manipulando o equipamento invasivo de interface cérebro computador.
Figura 2. Cathy e o braingate (http://browndailyherald.com/2012/09/05/braingate-seeks-to-empower-disabled)
É notável a evolução das pesquisas na área de Interface Cérebro Computador. Assim como pesquisadores há também inúmeros acadêmicos que iniciaram suas investigações nesse campo de pesquisa. Renato Peterman [2010] e Junior Moura [2012] são exemplos de alunos que desenvolveram trabalhos que utilizaram a ICC.
Peterman [2010] desenvolveu um servo motor controlado pelas expressões faciais, utilizando-se de um capacete denominado Emotiv e a plataforma de desenvolvimento Arduino. O capacete é uma ferramenta de interface cérebro computador não invasiva, responsável por captar as ondas cerebrais do ser humano que representam pensamentos, expressões e sentimentos através de registros de eletroencefalografia (EEG). A interação entre Peterman e o protótipo foi realizada através de suas expressões faciais. Quando o usuário movia os olhos para a direita, por exemplo, o servo motor acompanhava sua ação movendo-se para a direita. O mesmo acontecia quando se movia os olhos para a esquerda ou para cima.
O acadêmico Júnior [2012] desenvolveu como trabalho de conclusão de curso um protótipo de mão robótica de baixo custo controlado por servo-motores. Esses eram responsáveis pela movimentação dos dedos, buscando simular os movimentos da mão humana o mais real possível. A comunicação feita para que os dedos fossem movimentados foi realizada com o auxílio de um controle de vídeo-game com a placa Arduino. Júnior pretende realizar a movimentação de sua mão robótica através do pensamento utilizando o Emotiv.
4. Projeto Emotiv/Arduino por radiofrequência
Procurando uma alternativa de desenvolvimento de uma interface cérebro computador em que o custo/benefício prevaleça e que proporcione maior comodidade e mobilidade ao usuário em relação à aplicação dos equipamentos, o que mais atendeu aos requisitos para os estudos iniciais foi a utilização do capacete Emotiv Epoc junto à plataforma Arduino.
O Epoc é uma Interface Cérebro Computador que utiliza EEG para captar as ondas cerebrais através de eletrodos, em posições pré-definidas, que captam os sinais elétricos através do couro cabeludo, podendo assim interagir com o computador [EMOTIV, 2013].
Para a implantação do dispositivo robótico, foi utilizada a plataforma de desenvolvimento Arduino. O Arduino é uma plataforma livre, de baixo custo e fácil manuseio, para a criação de projetos em robótica. A comunicação entre os dois equipamentos foi realizada através de sinais por radiofrequência para, assim, se obter o resultado de controle do projeto por longa distância sem a necessidade de utilização de cabos ou fios para o funcionamento do mesmo, o que proporciona ao usuário maior comodidade e conforto.
A movimentação do robô será feita através das atividades cerebrais do usuário que simplesmente imaginará a ação de andar para frente, para os lados ou para trás. Essas ações, por sua vez, serão captadas pelo Emotiv onde os comandos serão enviados para um software específico na máquina. O software fica responsável por codificar esses comandos e transferi-los para o Arduino através de sinais de radiofreqüência, realizando assim, a movimentação de um dispositivo robótico através do pensamento.
5. Conclusão
Após os estudos realizados sobre Interface Cérebro computador foi possível verificar sua importância e sua contribuição como um meio de evolução para a sociedade, de acordo com suas inúmeras funcionalidades e potencialidades. Além disso, é possível
concluir que a sua utilização, no cotidiano de pessoas com deficiência, pode significar um avanço no ramo de reabilitação. ´
Para isto, é importante destacar a importância da utilização de tecnologias de baixo custo, que ofereçam uma comodidade e uma mobilidade maior para o usuário. Ferramentas como o capacete Emotiv e a placa Arduino demonstraram ser os melhores equipamentos para a realização de uma ICC que atendesse esses requisitos, aliada a uma comunicação sem fio utilizando a radiofreqüência, assim proporcionando um maior conforto na utilização do aplicativo.
Referências
NICOLELIS, Miguel. Brain–Machine Interfaces: Past, Present and Future. Durham: Duke University, 2006.
MELO, Carlos. Disponível em
<http://carlosvmelo.wordpress.com/2012/10/24/fundamentos-de-rdio-frequncia/> Acesso em 20 julho 2013.
MACHADO, Sergio. Interface Cérebro-Computador: Novas Perspectivas para a Reabilitação. Rio de Janeiro: IBBN, 2011.
COSTA, Renato C.; OLIVEIRA, Vanessa M. Um estudo sobre Interface Cérebro Computador. Brasília: Universidade de Brasília, 2012
CORTES, Stephanie. The Potential of Brain-Machine Interfaces to Improve the Standart of Living for Paralytics. EUA: University of Pittsburgh; 2012.
PETERMAN, Renato. Uma Abordagem sobre Interface Cérebro Computador e suas Aplicações na Computação. Paranavaí: UNIPAR, 2010.
JUNIOR. José M. Protótipo De Mão Robótica De Baixo Custo Para Reabilitação. Paranavaí: UNIPAR, 2012.
Emotiv. Disponível em: <http://emotiv.com/developer/SDK/UserManual.pdf/> Acesso em 26 julho 2013.
