Les capteurs EEG secs contrôlent les robots de l'armée

La technologie d'interface cerveau-machine (IMC), malgré toutes ses décennies de développement, attend toujours une utilisation généralisée. Les raisons incluent le matériel et les logiciels qui ne sont pas encore à la hauteur de la tâche dans les approches non invasives qui utilisent des capteurs d'électroencéphalogramme (EEG) placés sur le cuir chevelu, et qu'une intervention chirurgicale est nécessaire dans les approches reposant sur des implants cérébraux.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de technologie de Sydney (UTS), en Australie, en collaboration avec l'armée australienne, ont développé des prototypes de capteurs secs portables qui atteignent 94 % de la précision des capteurs humides de référence, mais sans la maladresse de ces derniers, le long temps d'installation, le besoin de gels salissants et une fiabilité limitée en dehors du laboratoire.

"Les capteurs secs ont donné de mauvais résultats par rapport aux capteurs humides argent sur chlorure d'argent de référence", déclare Francesca Iacopi, de la faculté d'ingénierie et de technologie de l'information de l'UTS. "C'est particulièrement le cas lors de la surveillance des signaux EEG des zones incurvées couvertes de poils du cuir chevelu. C'est pourquoi ils sont en forme d'aiguille, encombrants et inconfortables pour les utilisateurs."

"Nous avons utilisé [les nouveaux capteurs] dans un test sur le terrain pour démontrer les opérations mains libres d'un robot quadrupède utilisant uniquement des signaux cérébraux."—Francesca Iacopi, Université de technologie de Sydney

Iacopi, en collaboration avec Chin-Teng Lin, un collègue de la faculté spécialisé dans la recherche sur les algorithmes de l'IMC, a développé des capteurs à micro-motifs tridimensionnels utilisant du graphène épitaxial d'une épaisseur inférieure au nanomètre pour la zone de contact. Les capteurs peuvent être fixés à l'arrière de la tête, l'endroit le plus propice à la détection des signaux EEG du cortex visuel, la zone du cerveau qui traite les informations visuelles.

"Tant que les cheveux sont courts, les capteurs offrent suffisamment de contact avec la peau et une faible impédance pour bien se comparer sur une base signal/bruit avec des capteurs humides", explique Iacopi. "Et nous les avons utilisés dans un test sur le terrain pour démontrer les opérations mains libres d'un robot quadrupède utilisant uniquement des signaux cérébraux."

Les capteurs sont fabriqués sur un substrat de silicium sur lequel une couche de carbure de silicium cubique (3C-SiC) est déposée et modelée par photolithographie et gravure pour former des motifs d'environ 10 micromètres d'épaisseur. Selon les chercheurs, les conceptions tridimensionnelles sont cruciales pour obtenir un bon contact avec la partie courbée et poilue du cuir chevelu. Une méthode d'alliage catalytique est ensuite utilisée pour faire croître du graphène épitaxial autour de la surface de la structure à motifs.

Les chercheurs ont choisi le SiC sur silicium car il est plus facile à modeler et à intégrer au silicium que le SiC seul. Et quant au graphène, "il est extrêmement conducteur, biocompatible, résistant et hautement adhésif à son substrat", explique Iacopi. De plus, "il peut être hydraté et agir comme une éponge pour absorber l'humidité et la sueur de la peau, ce qui augmente sa conductivité et abaisse son impédance".

Interface robotique cérébrale

Plusieurs motifs ont été testés, et une structure hexagonale qui offrait le meilleur contact avec la peau à travers les cheveux a été choisie. Dans un souci de redondance, huit capteurs ont été fixés à un capteur sur mesure à l'aide de boutons à épingle, puis ont été utilisés sur un bandeau élastique enroulé autour du crâne de l'opérateur. Les huit capteurs ont enregistré des signaux EEG à des degrés divers en fonction de leur emplacement et de la pression du bandeau, explique Lin. Les résultats des tests ont été publiés le mois dernier dans Applied Nano Materials.

Pour tester les capteurs, un opérateur est équipé d'un objectif de réalité augmentée monté sur la tête qui affiche six carrés blancs scintillants représentant différentes commandes. Lorsqu'un opérateur se concentre sur un carré spécifique, un biopotentiel collectif particulier est produit dans le cortex visuel et capté par les capteurs. Le signal est envoyé à un décodeur dans la monture via Bluetooth, qui convertit le signal en la commande prévue et est ensuite transmis sans fil à un récepteur dans le robot.

"Le système peut émettre jusqu'à neuf commandes à l'heure actuelle, bien que seules six commandes aient été testées et vérifiées pour une utilisation avec les capteurs de graphène", explique Lin. "Chaque commande correspond à une action ou une fonction spécifique comme avancer, tourner à droite ou s'arrêter. Nous ajouterons d'autres commandes à l'avenir."

L'armée australienne a mené avec succès deux essais sur le terrain à l'aide d'un robot quadrupède. Lors du premier test, le soldat opérateur a fait suivre au robot une série de guides visuels disposés sur un terrain accidenté. Le deuxième test a amené l'opérateur à jouer le rôle d'un commandant de section. Il a fourni des instructions au robot et aux soldats de l'équipe alors qu'ils effectuaient une simulation de dégagement de plusieurs bâtiments dans un contexte de guerre urbaine, le robot précédant les soldats lors de la vérification des bâtiments.