Il controllore del braccio del modello funzionale di cervello umano più grande del mondo è stato costruito con MapleSim

Il braccio robotizzato, ovvero il sistema d’uscita, è l’unico sistema del modello controllato da motori. Per creare il braccio, i ricercatori hanno utilizzato MapleSim, la piattaforma di simulazione e modellazione di Maplesoft. Travis DeWolf, il ricercatore dell’Università di Waterloo che ha costruito il braccio, attribuisce il successo di questo modello complesso alla potenza di calcolo simbolico e alle capacità di semplificazione dei modelli di MapleSim. 

 

Uno dei problemi che Travis ha dovuto affrontare all’inizio della sua ricerca è stato il fatto di non aver avuto modelli completi del braccio umano immediatamente disponibili. Infatti, gli studi empirici che riguardano la ricerca sul cervello implicano normalmente la presenza di un soggetto che esegua diverse operazioni con le sue braccia. Era quindi importante disporre di un modello di braccio artificiale per testare la precisione del modello di cervello. 

 

Lo Spaun (Semantic Pointer Architecture Unified Network) è costituito da 2,5 milioni di neuroni artificiali, che gli permettono di eseguire otto operazioni differenti. Ha un occhio digitale di 28×28 (784) pixel e un braccio robotizzato in grado di scrivere sulla carta. I ricercatori gli mostrano un gruppo di numeri e lettere, che lo Spaun legge nella sua memoria, quindi un’altra lettera o un altro simbolo che agiscano da comando, indicando allo Spaun la funzione da eseguire. Il risultato dell’operazione viene quindi scritto dal braccio artificiale. Usando il braccio, il cervello mostra operazioni come il disegno, il calcolo, la memorizzazione e la riproduzione di sequenze e il ragionamento fluido.  

 

La rivista Popular Science ne parla così: “Il programma riconosce gli elementi, apprende, ricorda e supera persino alcuni test base per il QI. E’ un passo importante nella simulazione del cervello, perché è il primo modello che riesce effettivamente a emulare i comportamenti, modellandone allo stesso tempo la fisiologia che ne è alla base”.

 

Usando MapleSim, Travis e il suo team hanno costruito un modello di braccio con 9 muscoli e 3 giunti (spalla, gomito e polso), basato sul modello presentato in un saggio dal Dr. Kenji Tahara. In MapleSim, hanno costruito i muscoli del braccio basandosi sul modello muscolare di Hill. Il controllore è stato modellato in MATLAB^® e la connettività di MapleSim con MATLAB^® tramite il motore Maple ha permesso la perfetta integrazione fra i due sistemi. “Usando MapleSim, siamo riusciti ad aumentare gradualmente, e molto agevolmente, la complessità del modello”, afferma Travis.  “MapleSim ci ha permesso di aggiungere facilmente un altro muscolo/giunto mano a mano che procedevamo, senza alcuna perdita di fedeltà. Questo ha contribuito a tenere bassi i costi e ci ha permesso di concentrarci sullo sviluppo del sistema di controllo”.

 

Benché Travis abbia preso in considerazione anche altri tool simili di modellazione e simulazione, è stato scelto MapleSim per le sue capacità di calcolo simbolico. “Negli altri software di modellazione che abbiamo esaminato, le equazioni di primo grado non erano accessibili per l’analisi”, continua Travis. “Con MapleSim, abbiamo avuto accesso alle equazioni simboliche alla base del sistema, cosa che ci ha permesso di ottenere descrizioni molto precise e di eseguire un’analisi dettagliata del modello. E le equazioni sono state automaticamente semplificate in MapleSim, che ci ha offerto una simulazione altamente efficiente”. 

 

L’obiettivo di ricerca dello Spaun era quello di valutare come scenari differenti influenzino il sistema cerebrale in fase di output. Altre ricerche che hanno utilizzato questo stesso modello MapleSim del braccio hanno esaminato la modellazione degli effetti dei danni al cervello provocati da trauma cranico, morbo di Huntington e anomalie cerebellari. I risultati sono stati confrontati con dati di pazienti reali per valutare la precisione del modello. Avere un braccio realistico che si comporta analogamente a un braccio vero e proprio, con appropriate risposte muscolari e le giuste lunghezze e masse dei segmenti delle parti di un braccio, è importante per ottenere risultati precisi. 

 

I risultati di questa ricerca possono essere applicati per la modellazione di nuove cure mediche.  Per esempio, nello stesso modo possono essere modellati gli effetti della stimolazione cerebrale profonda, ovvero l’inserimento di un filo metallico nel cervello che ne apporti elettricità per il trattamento del morbo di Parkinson. Avere un modello come lo Spaun aiuterà ad eseguire studi più approfonditi e accurati prima dell’inizio del trattamento. Un’altra area applicativa è lo sviluppo della neuroprotesica: una migliore comprensione dei sistemi di controllo motorio e dei segnali in uscita porterà a protesi che funzioneranno sempre meglio. 

 

Avendo completato il modello Spaun, Travis sta ora lavorando su un modello del sistema di controllo motorio del sistema cerebrale, basato sull’apprendimento, in alternativa all’approccio analitico del controllore. MapleSim  gioca un ruolo importante in questa ricerca, grazie alla sua semplice interfaccia e alle simulazioni altamente ottimizzate che è in grado di fornire. Le simulazioni del braccio generate da Travis per il modello Spaun sono ora utilizzate per lo sviluppo di altri controllori. Ciò permetterà a Travis di risparmiare tempo e lavoro nella creazione di nuovi modelli, mentre proseguirà la sua ricerca di altissimo livello.

 

Per saperne di più: www.maplesoft.com.