UM ESTUDO SOBRE INTERFACE CÉREBRO
COMPUTADOR E SUA UTILIZAÇÃO EM DISPOSITIVOS
ROBÓTICOS
Guilherme Rodrigues Ribeiro¹, Wyllian Fressatti¹, José de Moura Júnior¹
1
Universidade Paranaense (Unipar)
Paranavaí– PR – Brasil
[email protected], [email protected], [email protected]
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 CérebroComputador 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/braingateseeks-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.