Adolescente inventou um braço protético de baixo custo e controlado pela mente

Dez anos atrás, quando Benjamin Choi estava na terceira série, ele assistiu a um documentário "60 Minutos" sobre uma prótese controlada pela mente. Os pesquisadores implantaram pequenos sensores no córtex motor do cérebro de uma paciente que movia um braço robótico usando apenas seus pensamentos. Choi ficou fascinado com o conceito, comparando-o a algo saído de um filme de Star Wars. No entanto o garoto também fiquei alarmado com o fato de que o processo exigia uma cirurgia cerebral aberta realmente arriscada. Sem contar que o implante era inacessível, custando centenas de milhares de dólares.

Anos depois, quando a pandemia chegou em 2020, Benjamim, um aluno do segundo grau que mora no estado norte-americano da Virgínia, de repente se viu com bastante tempo livre. O laboratório em que ele planejava passar o verão pesquisando combustíveis de alumínio havia fechado. Mas o documentário que ele tinha visto anos antes ficou com ele, e decidiu usar seu tempo livre para construir uma prótese de braço menos invasiva.

Em seu laboratório improvisado na mesa de pingue-pongue do porão, onde às vezes trabalhava 16 horas por dia, Benjamim projetou de forma independente a primeira versão de seu braço robótico usando uma impressora 3D de 380 reais de sua irmã e um pouco de linha de pesca. A impressora não conseguia construir peças com mais de 10 centímetros de comprimento, então Benjamim imprimiu o braço em pedaços menores e o prendeu e amarrou com elástico. No total, levou cerca de 30 horas para imprimir. Esta versão funcionava usando dados de ondas cerebrais e gestos de cabeça, e Benjamim postou instruções on-line para qualquer um construir seus próprios.

Ele tinha alguma experiência anterior na construção de robôs e codificação ao participar de robótica competitiva nos níveis fundamental e médio, até mesmo indo para campeonatos mundiais várias vezes. Ele aprendeu sozinho as linguagens de programação de computadores Python e C++ assistindo a vídeos no Stack Overflow, um site para programadores.

Depois de mais de setenta e cinco iterações de design, o braço robótico não invasivo e controlado pela mente de Benjamim agora é feito de materiais de engenharia capazes de suportar pesos de até cerca de quatro toneladas. Ele opera usando um algoritmo impulsionado por inteligência artificial que interpreta as ondas cerebrais de um usuário. E custa apenas cerca de 1.500 reais para fabricar, uma economia enorme em comparação com o que está atualmente no mercado.

Uma prótese de membro superior mais básica, movida ao corpo, custa cerca de 35 mil reais. A partir de 2015, o muito avançado membro protético modular de braço inteiro, que tem 26 articulações, centenas de sensores e pode sustentar até 20 kg, custava cerca de 2.500.000 reais. Essa prótese, combinada com uma cirurgia para redirecionar os nervos que antes controlavam o braço, permite que os pacientes comandem o membro com seus pensamentos e até sintam a textura através dele.

A invenção rendeu a Benjamim, agora com 17 anos de idade na Escola Potomac, na Virgínia, um lugar entre os 40 finalistas do Pesquisa de Talentos da Regeneron Science deste ano, a competição de ciências e matemática mais antiga e prestigiada dos EUA para alunos do ensino médio.

Estima-se que 2 milhões de pessoas vivem com a perda de um membro nos Estados Unidos e cerca de 185.000 amputações ocorrem todos os anos. A Organização Mundial da Saúde afirma que apenas uma em cada dez pessoas que precisam de produtos assistivos, incluindo próteses e órteses, têm acesso a eles, citando o "alto custo" e "falta de conscientização, disponibilidade, pessoal treinado, política e financiamento".

O braço de Benjamim usa eletroencefalografia, ou EEG, para evitar as técnicas invasivas de outras próteses. Dispositivos de EEG registram a atividade elétrica do cérebro usando sensores colocados na cabeça. Eles são frequentemente usados na medicina para diagnosticar epilepsia ou outros distúrbios cerebrais.

Seu sistema usa dois eletrodos: um sensor de linha de base que se prende no lóbulo da orelha e outro na testa que coleta dados de EEG. O eletrodo da testa capta informações de ondas cerebrais, que são enviadas para um microchip no braço protético via Bluetooth. Um modelo de IA que Benjamim criou, também embutido no chip, decifra os dados e os converte em uma previsão do que o cérebro está pensando. O braço também se move usando gestos de cabeça e para com piscadas intencionais.

Seis meses depois de começar a construir o braço, ele postou um vídeo no YouTube demonstrando sua destreza. A prótese chamou a atenção de Joseph Dunn, um amputado de membro superior da Pensilvânia. Benjamim começou a consultá-lo remotamente sobre o design.

- "Trabalhar com o Sr. Dunn tornou este projeto realmente impactante e realmente inspirador e motivador", diz Benjamim. - "Talvez isso pareça um pouco clichê, mas você pode realmente ajudar as pessoas, eu acho, através da engenharia, através da tecnologia."

O jovem inventor conseguiu financiamento do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em 2021 para continuar sua pesquisa e trabalhar com especialistas da universidade. Por cerca de seis meses, ele experimentou a computação em nuvem para tornar o braço compatível com a internet.

- "Esses modelos de IA podem ficar tão grandes. Eu estava pensando em armazená-los na nuvem e depois fazer com que meu braço se comunicasse via Wi-Fi", diz ele.

Mas isso não funcionou por dois motivos. Primeiro, levava muito tempo para o braço responder aos pensamentos do usuário.

- "Isso não é o ideal, porque especialmente para próteses, você quer que elas funcionem em tempo real muito rapidamente", explicou ele.

Em segundo lugar, um usuário precisaria estar constantemente conectado ao Wi-Fi, o que não é prático. Foi ai que ele comprimiu seu modelo de IA com vários submodelos e o armazenou em um microchip de núcleo duplo dentro do braço.

Para criar seu modelo de IA, ele trabalhou de forma independente com seis voluntários adultos por cerca de duas horas cada, coletando seus dados de ondas cerebrais em sua escola e em casa. Ao coletar os dados por meio de um eletrodo na testa, ele pediu a cada participante que se concentrasse em abrir e fechar a mão.

Ele treinou a IA para distinguir entre os sinais cerebrais, e o modelo de IA aprende profunda e continuamente com as ondas cerebrais de um usuário.

- "Quanto mais você o usa, mais ele descobre especificamente como você pensa, quais são seus padrões de ondas cerebrais, até que a precisão realmente aumente significativamente para você ao longo do tempo", explica Benjamim.

No total, o algoritmo tem mais de 23.000 linhas de código e sete sub-algoritmos completamente novos. O algoritmo de Benjamim funciona com uma precisão média de 95%. Ele diz que o padrão-ouro anterior para uma rede neural artificial semelhante era de 73,8%.

Brock Wester, engenheiro biomédico da Universidade Johns Hopkins com experiência em neuroprótese, diz que a tecnologia de Benjamim é impressionante, especialmente quando se considera que a prótese do documentário "60 Minutos" teve uma grande equipe de pesquisadores trabalhando nela, enquanto Benjamim projetou o braço inteiro ele mesmo.

Brock observa que Benjamim ainda precisa fazer mais engenharia, especialmente quando se pensa em como o membro se conecta ao corpo do usuário. Neste ponto, o braço é conectado a um poste fixo em uma plataforma. Benjamim diz que eventualmente projetará um soquete, mas esse processo exigirá um ajuste personalizado para o usuário.

A novidade por trás do projeto de Benjamim é que ele aplicou técnicas de aprendizado de máquina de última geração ao seu sistema de braço robótico criando inclusive seus próprios modelos de aprendizado profundo. Ademais, o desempenho do seu braço protético de baixo custo é comparável a máquinas mais caras e avançadas. Por tudo isso o jovem acabou ganhando vários prêmios nos últimos anos.

Fora da engenharia, Benjamim é um jogador de squash de nível nacional, presidente do corpo estudantil de sua escola, autor de contos publicados, solista de violino com melhores resultados em várias competições e fundador de uma equipe de alunos do Potomac que competiu em um quiz da rede NBC de televisão.

Benjamim planeja estudar engenharia na faculdade e quer continuar melhorando sua prótese de braço. Ele tem como objetivo realizar um estudo clínico com pacientes com perdas de membros superiores. Ele já adquiriu duas patentes provisórias para sua invenção: uma para a neuroprótese e outra para o algoritmo de interpretação de ondas cerebrais.

Benjamim diz que seu algoritmo pode ter usos além de próteses, incluindo o controle de dispositivos assistivos como cadeiras de rodas e ajudar pacientes com ELA a se comunicarem.

- "A interpretação das ondas cerebrais é um campo emergente realmente grande", diz ele. - "Meu algoritmo é o melhor de todos os algoritmos relatados na literatura por uma margem bastante significativa. Acho que pode ter grandes aplicações daqui para frente."