تطبيقات تقنية واجهة الدماغ والحاسوب | BCI Applications

 

في الفترة الأخيرة ومع تطور التقنيات، انتشرت فكرة التطبيقات التي لا تستلزم تحكم يدوي للتعامل معها.

تطبيقات تستخدم بشكل يومي.

هل تعرفت عليها؟  

تتميز هذه التطبيقات بمحدودية حاجتها للتحكم اليدوي، وتعتمد بشكل أساسي في البحث وتنفيذ الأوامر على: الصوت، أو الصورة، أو الحركة، أو إشارات الدماغ.

• الصوت:

• سيري وجوجل وأليكسا وغيرها من المساعدات الشخصية:

بمناداتك للجوال وبدون لمس هاتفك تستطيع ان تتصل على اي شخص ("جوجل، اتصل على محمد") أو حتى تستطيع كتابة رسالة (" سيري، اكتبي رسالة: السلام عليكم سأتأخر قليلاً، و أرسليها إلى لينا") . 

• خاصية البحث بالصوت في البرامج: 

كثير من أطفالنا يستخدمون هذه الخاصية بشكل يومي خصوصًا للبحث عن مقاطع معينة في اليوتيوب!

• الصورة:

• التعرف على الوجه:

أغلب مستخدمي الأيفون تفتح أجهزتهم بمجرد التعرف على وجه المالك للجهاز!

وقبلها في عام ٢٠١٨، أطلقت شركة أمازون، متاجر أمازون جو (Amazon Go) والتي تتيح للمشتري الدخول والشراء من المتجر دون الحاجة للتواصل مع أي شخص ولا الإنتظار عند قسم المحاسبة. قبل دخولك لأي فرع من فروع أمازون جو، يتطلب تحميل برنامج Amazon go على جوالك، ثم عند دخولك للمتجر تقوم بمسح الباركود الظاهر على البرنامج وتدخل لشراء حاجتك ثم تخرج بدون أي حاجة للانتظار أو المحاسبة الذاتية. تسأل كيف يعمل هذا المتجر؟ 

تقوم الكاميرات الموزعة في كل مكان وزاوية بالمتجر على التعرف على الأشخاص بالإضافة إلى وجود العديد من الحساسات التي تحس في حال أخذت منتج معين أو أعدته إلى الرف. 

• تتبع حركة الوجه والرقبة:

فلاتر الوجه الموجودة في انستقرام وسناب تشات تحدد الوجه بشكل تلقائي وحتى في حين ألتقطت فيديو باستخدام فلتر معين فسترى الفلتر يتحرك مع حركة وجهك وأحيانًا يحدد أيضًا أشخاص أخرين ظهروا معك في الفيديو ويضع عليهم تأثيرات الفلتر. في هذا المثال قد تكون استخدمت اللمس أو الصوت لفتح البرنامج واختيار الفلتر لكنك لم تحتاج إلى يديك أو صوتك لوضع تأثيرات الفلتر على وجه معين.

• تتبع حركة العين:

هناك العديد من التطبيقات الطبية التي تعتمد على حركة عين المريض للتواصل، بالإضافة إلى وجود بعض الألعاب التي يمكنك التحكم بها بعمل حركات معينة في عينيك. في هذه الحالة توجه كاميرا تراقب حركة العين و تترجمها لتنفيذ أمر معين.

• الحركة:

• تتبع حركة الجسم:

يحتوي جهاز اللعب Wii على لوح توازن (كما في صورة رقم ١) تستطيع بمجرد الوقوف عليه بعمل رياضة أو رقصة معينة باتباع تعليمات تظهر على الشاشة. وبمجرد تحريك جسمك يحدد الجهاز إذا عملت الحركة بشكل صحيح أو أخطأت فيها.

صورة ١: لوح التوازن الخاص بجهاز اللعب Wii

• الموجات الدماغية:

• تقنية واجهة الدماغ والحاسوب

تعد تقنية واجهة الدماغ والحاسوب تقنية قوية وفعالة كونها تساعد على قراءة وتفسير إشارات وموجات الدماغ، فمن خلال تفسير الموجات الدماغية يمكن (١) التواصل والتحكم بالأشياء و (٢) تحديد الحالة النفسية للشخص من خلال مراقبة التغيرات في الموجات الدماغية. وظهرت عدة استخدامات لهذه التقنية في مجالات مختلفة منذ بداية نشأتها حتى يومنا هذا، حتى أنها توسعت لتشمل النطاق الترفيهي.

وفي حين كان الهدف الأساسي من هذه التقنية هو مساعدة المرضى المصابين بالشلل والغير قادرين على التواصل، فقد تطورت التقنية لتشمل تطبيقات للأشخاص السليمين في مجالات عديدة مثل: التعليم، والترفيه، والبيئات الذكية. 

تلخص صورة رقم ٢ ما تم ذكره عن التطبيقات التي لا تستلزم تحكم يدوي.

صورة ٢: تلخيص لأهم الجوانب التي تعتمد عليها التطبيقات التي لا تحتاج لتحكم يدوي

نستعرض في هذه التدوينة عدد من المجالات التي تستخدم تقنية واجهة الدماغ والحاسوب لتطوير عملها، بالإضافة إلى عدد من التطبيقات المختلفة المبنية على هذه التقنية.

ساهمت تقنية واجهة الدماغ والحاسوب على تطور بعض الجوانب الطبية، فقد وفرت هذه التقنية وسيلة تواصل مع المرضى الغير قادرين على الحركة والاتصال الشفهي بمختلف حالاتهم وتمكينهم من التحكم بالأشياء من حولهم، مثل: مرضى الشلل الكلي، ومتلازمة داون. تتم عملية التواصل مع هؤلاء المرضى دون الحاجة لتحريك أي طرف أو عضلة؛ بترجمة الموجات الدماغية فقط. على سبيل المثال سنذكر هنا ٣ تطبيقات مبنية على التواصل الدماغي وتحكم المريض بما حوله: 

• التهجئة الدماغية (BCI Speller):

تعتبر التهجئة الدماغية من أهم تطبيقات هذه التقنية، حيث أنها تخلق وسيلة تواصل جديدة. وتختلف أشكال التهجئة الدماغية لكنها تشترك في كونها وسيلة تواصل تمكن المريض من ترجمة وعرض ما يريد.

صورة ٣: مثال لتطبيق التهجئة الدماغية

توضح الصورة أعلاه أحد أشكال التهجئة الدماغية. كما ترى فهي تتكون من طرفين، المريض والمتلقي، وبينهما شاشة. بمجرد ارتداء المريض لجهاز قارئ لإشارات الدماغ، تبدأ عملية تحويل قراءات الموجات الدماغية لقراءات رقمية يمكن للحاسوب ترجمتها وتفسيرها. 

يقابل المريض شاشة تحتوي على حروف وأرقام مثل لوحة المفاتيح بالإضافة إلى قسم علوي يعرض ما يريد المريض كتابته وإخبار الطرف الآخر عنه. 

تبدأ عملية التواصل بتنوير كل حرف ورقم بشكل عشوائي بتكرار معين. بالتزامن مع ذلك فإن المريض يوجه تركيزه على الحرف الأول الذي يريد كتابته. حينما ينار الحرف المراد كتابته، يحدث تغير في قراءات إشارات الدماغ؛ استجابة لارتفاع تركيز المريض عليه (يوجد منطقة بالدماغ مسؤولة عن التركيز، وحينما يرتفع تركيز الإنسان أو يقل تتغير قراءة الإشارات الدماغية بناء عليه)(أطلع على صورة رقم ٤). 

يترجم الحاسوب هذه الزيادة في التركيز ومع تكرار حدوث الارتفاع بالتركيز عند حرف معين، يحدد الحاسوب بأن هذا الحرف هو المراد طباعته ويظهره أعلى الشاشة، ثم يكمل المريض كتابة باقي جملته. 

مثلًا لو أراد المريض كتابة "أشعر بألم في أعلى الكتف" وكان نظام التهجئة الدماغية مبني على تنوير عشوائي لكل حرف ٥ مرات  خلال ٢٠ ثانية وبعد ال٢٠ ثانية يكون الحاسوب خمن الحرف المراد كتابته وأظهره أعلى الشاشة. في هذه الحالة سيبدأ بتهجئة كلمة "أشعر" ويبدأ بحرف الألف. إذًا سيركز المريض على حرف الألف. 

تبدأ العملية بإنارة عشوائية للحروف، وحينما ينار "أ" للمرة الأولى سيرتفع تركيز المريض ويظهر ذلك في قراءات الإشارات الدماغية، ثم بعد أجزاء من الثانية، يضئ حرف "أ" مرة أخرى وتسجل قراءات الإشارات الدماغية إرتفاع بالتركيز، ثم يتكرر هذا الارتفاع مع تنوير الحرف "أ". 

لاحظ هنا أن قراءات الإشارات الدماغية لم تسجل أي ارتفاع بالتركيز حينما أضيئ الحرف "م" مثلًا، ولا أي حرف ما عدا حرف الألف لأنه الحرف المقصود. 

في أجزاء من الثانية، يلاحظ الحاسوب ذلك ويترجمه بإظهار الحرف "أ" أعلى الشاشة. ثم يكمل المريض التهجئة لباقي الكلمة، ويستمر لحين الإنتهاء من جملته.

اضغط هنا لمشاهدة مقطع يوضح كيفية التواصل بالتهجئة الدماغية.

صورة ٤: مثال لقراءات إشارات الدماغ في حالة الإستجابة (إنارة الحرف المرغوب فيه) والحالة الطبيعية (إنارة حرف غير مرغوب بتهجئته)

من خلال قراءتك لهذه العملية قد تعتقد أنها تأخذ وقتًا طويلًا جدًا، وهي في الحقيقة تتم بثواني. 

تهجئة كلمة مكونة من ١١ حرف قد تستغرق ٤٠ ثانية. 

في الحقيقة هذه الفترة طويلة لكل شخص سليم يتمكن من نطق نفس الكلمة بثانية واحدة،  لكنها معجزة بوجهة نظر شخص ظن أنه فقد التواصل للأبد. والعلماء والباحثين يسعون جاهدين لتسريع عملية التهجئة الدماغية وتحسين فعاليتها.  

وتختلف محتويات شاشة التهجئة الدماغية وطريقة عملها، فبعضها يحتوي على كلمات معينة بدل الحروف وبعضها يتكون من صور وبعضها الآخر يعتمد على الموجات الدماغية وحركة العين وغيرها من الأشكال المختلفة. 

التهجئة الدماغية عالم وبحر عميق مازال يبحر فيه الباحثين لتطويره وتحسينه.

• التحكم بالكرسي المتحرك:

من خلال تفسير الإشارات الدماغية يستطيع الشخص التحكم وقيادة الكرسي المتحرك. في هذه الحالة يلزم وجود نظام واجهة الدماغ والحاسوب مرتبط بنظام قيادة الكرسي المتحرك، وعند رغبة المريض بالتحرك لليمين قليلًا يحدث تغير معين بقراءة الموجات الدماغية، يحلل الحاسوب هذا التغيير ويفسره وينفذه بتحريك اتجاه الكرسي لليمين.

• التحكم بطرف صناعي:

يمكن لصاحب الطرف الصناعي التحكم فيه باستخدام دماغه فقط. فعند رغبته بتحريك الطرف، يستجيب النظام المرتبط بالطرف الصناعي ويحركه بناء على قراءات الإشارات الدماغية.

علاوة على ما سبق، ساعدت هذه التقنية أيضًا في الكشف والتنبؤ عن الإصابة ببعض المشاكل الصحية -حفظنا الله وإياكم-، مثل: أورام الدماغ، وسرطان الثدي، والصرع، والنوبات، وإضطرابات النوم، وخلل الحركة، وأمراض الجهاز العضلي والعصبي عن طريق تحليل الموجات الكهربائية الدماغية (EEG). ففي علم الأعصاب أبسط تغيير في قراءات الموجات الكهربائية الدماغية عن مستويات القراءة الطبيعية له تفسير معين.

من جانب آخر استخدمت تقنية واجهة الدماغ والحاسوب في التعليم لمراقبة وتحديد مستوى التركيز لدى الطلبة خلال الدراسة.

كل طالب لديه تطبيق على هاتفه مرتبط بالجهاز القارئ للموجات الدماغية الذي يرتديه، ويخبره التطبيق عن حالة التركيز لديه، فإن انخفض معدل التركيز يرسل التطبيق إشعار بحاجة الطالب لبعض من الراحة ثم العودة للدراسة حين يرتفع مستوى التركيز. وتوضح الصورة أدناه أستخدام التقنية لمراقبة أداء طلبة ذوي فرط الحركة ونقص التركيز.

صورة ٥: استخدام التقنية في التعليم للطلبة أصحاب فرط الحركة ونقص التركيز لمراقبة أدائهم

تطور استخدام تقنية واجهة الدماغ والحاسوب حتى دخل عالم الألعاب والترفيه. فأصبحت هذه التقنية لا تقتصر على التطبيقات الطبية فحسب؛ بل شملت تطبيقات الترفيه والعالم الافتراضي. ففي عام ٢٠١٣م تم تطوير لعبة فيديو لكرة القدم تسمى بـ"BrainArena"، يلعب فيها اللاعبين دون يد تحكم، فقط باستخدام مناطق التركيز في الدماغ، لتحريك الكرة وتسجيل الأهداف. 

بينما تهدف لعبة كرة المخ "Brainball" إلى تقليل مستوى توتر وقلق الشخص. فهي تشبه لعبة الهوكي لكن لا تحتوي على مضارب ولا هواء يحرك الكرة. الكرة مرتبطة بنظام مبني على تفسير الإشارات الدماغية. لا تتحرك الكرة عندما يكون اللاعب متوتر، لذلك يحتاج اللاعب لاسترخاء حتى يتمكن من تحريك الكرة وتسجيلها في مرمى اللاعب الثاني. اللاعب الأكثر قدرة على الاسترخاء والتحكم بمستوى التوتر هو الغالب.

وطورت أيضًا العديد من برامج التحكم بالمشاعر عن طريق تفسير قراءات الموجات الكهربائية الدماغية (EEG). 

يمكن للبيئات الذكية مثل: البيوت الذكية، وأماكن العمل، ووسائل النقل، أن تستفيد من قدرات تقنية واجهة الدماغ والحاسوب في توفير المزيد من التحكم والأمان والرفاهية لحياتنا اليومية. وكثير من المهتمين يتطلعون للتعاون بين قدرات أنترنت الأشياء (IoT) وواجهة الدماغ والحاسوب لبناء وتطوير منتجات تواكب تطور العصر وتسهل حياة البشر.

لتقنية واجهة الدماغ والحاسوب القدرة على مراقبة حالة الشخص العقلية لتكييف الأشياء المحيطة وفقًا لذلك، فمثلًا تساعد إشارات الدماغ في تحسين ظروف مكان العمل، من خلال تقييم الحالة الإدراكية للشخص وتحليل تأثير إجهاد العمل. فحين يجهد الشخص، يضعف تركيزه، ويظهر ذلك في قراءات إشارات الدماغ. في هذه الحالة يمكن للنظام الإلكتروني توجيه بعض الأوامر للحساسات الضوئية والجوية، كتخفيف شدة الضوء وخفض درجة تكييف الغرفة لحين يسترجع الشخص قواه وتركيزه. وعندما تعود مستويات التركيز للحالة الطبيعية، يرسل النظام بعودة الضوء للسطوع ورفع درجة التكييف للدرجة المعتادة.

وفي أماكن عمل ذكية أخرى، مثل المستشفيات، يتم قياس حالة توتر وإجهاد الطبيب خلال العملية؛ حينما يرتفع معدل الإجهاد يرسل النظام إنذار بذلك لتنفيذ اللازم.

وقد تم إستخدام تقنية واجهة الدماغ والحاسوب على سائقي المركبات بهدف الحد من الحوادث المرورية عن طريق دراسة الأسباب التي تؤدي إلى عدم انتباه السائقين والمسببة لأغلب الحوادث المرورية. وبعد تحليل قراءات إشارات الدماغ للسائقين أثناء القيادة، توصلت الدراسة إلى أن الإلهاء والتعب هما مصدران رئيسيان لعدم انتباه السائق. حفظنا الله وإياكم من كل شر.

وتابعت هذه الدراسة مجموعة من الأبحاث التي اهتمت بتوظيف واجهة الدماغ والحاسوب في أنظمة القيادة الذكية. وعليه تم تطوير نظام قيادة ذكي للتنبؤ بحالات التركيز والإجهاد من خلال تحليل إشارات تخطيط كهربائية الدماغ وتخطيط كهربائية القلب للتحكم في سرعة المركبة. 

علاوة على ما سبق، تم الاستفادة من تحليل تخطيط كهربائية الدماغ (EEG) في تقييم الإعلانات التلفزيونية ومعرفة مشاعر المتلقي تجاه الإعلان.

اندهشت من الاستخدامات المتنوعة؟

المعلومة التالية سوف تفاجئك...

حاليًا نحن نستخدم كلمات المرور وبعض العلامات الحيوية مثل التعرف على الوجه والبصمة للتحقق من الهوية في الأنظمة الأمنية وأبسطها قفل الهواتف الذكية. لكننا نواجه ثغرات واختراقات كثيرة بالرغم من عمل جنود الأمن السيبراني الدؤوب. 

أحد الحلول لتجنب بعض الثغرات، هو التحقق الأمني باستخدام إشارات الدماغ! 

تختلف الموجات الدماغية من شخص لآخر ويصعب محاكاتها، بالإضافة إلى أن هذه الأنظمة تستطيع تحديد ما إذا كان الشخص المصرح له تحت التهديد وترسل تحذير بذلك. 

على الرغم من أنه تم إستخدام هذه الطريقة في دراسة للتحقق من هوية سائق المركبة وعلى الرغم من صعوبة اختراق نظام محمي بقفل يعتمد على إشارات دماغ المصرح لهم، تواجه هذه الطريقة العديد من العقبات والتحديات لذلك لا نراها تستخدم بكثرة.

شاركنا عن المجال الذي أثار إعجابك! وهل تقترح مجال معين يمكن استخدام هذه التقنية فيه ولم يذكر في التدوينة؟

نشكر لك وقتك ونتمنى أن تكون استمتعت بالقراءة..

الأسئلة الأكثر طرحاً (FAQs)

كيف أتحكم بالتطبيقات التي لا تستلزم تحكم يدوي؟

عن طريق الصوت أو الصورة، أو تتبع الحركة، أو التغيرات في قراءات الموجات الدماغية.

هل تعتبر تقنية واجهة الدماغ والحاسوب من التطبيقات التي لا تستلزم تحكم يدوي؟

نعم.

هل لتقنية واجهة الدماغ والحاسوب استخدامات أخرى غير طبية؟

نعم، تشهد تقنية واجهة الدماغ والحاسوب تطور كبير في جميع المجالات، في الترفيه، والتعليم، وحتى البيئات الذكية، والإعلان، والأنظمة الأمنية.

هل أستطيع التعرف على الحالة النفسية من خلال ترجمة قراءات الإشارات الدماغية؟

نعم، حالات الفرح، والغضب، والحزن، وغيرها من الأحوال النفسية يمكن استنتاجها من خلال تفسير التخطيط الكهربائي الدماغي (EEG).

كيف أحصل على تخطيط كهربائي دماغي (EEG)؟

من خلال استخدام أجهزة معينة، قارئة للموجات الدماغية. توجد هذه الأجهزة في المستشفيات وتستطيع شراء جهازك الشخصي.

للمزيد من المعلومات حول تقنية واجهة الدماغ والحاسوب يمكنك الإطلاع على التدوينة السابقة.

المراجع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110866515000237

https://www.pocket-lint.com/apps/news/google/136939-what-is-google-hands-free-and-how-does-it-work

https://link.springer.com/chapter/10.1007/11789239_52