Нейродирижабли в Летней STEM-школе Центрального университета

Надувная акула, наполненная гелием, висит в аудитории. Школьник в нейроинтерфейсе закрывает глаза — винты начинают вращаться, аппарат идёт вперёд. Открывает — останавливается. Этому и учились участники Летней STEM-школы Центрального университета: пятидневного интенсива для тех, кто окончил 9 и 10 классы. О проекте рассказал преподаватель курса «Нейронауки и нейроинтерфейсы» Дмитрий Грибанов в блоге университета на Хабре.

Точных дат проведения школы в публикации нет — сказано только «этим летом». Нет и числа участников, команд, размера грантов и того, сколько аппаратов в итоге полетело. Ниже — то, что подтверждается текстом преподавателя.

Пять дней: от коробки с деталями до полёта

В начале недели перед командами лежали оболочка дирижабля, моторы, провода, микроконтроллер ESP32 и нейроинтерфейс. К пятнице всё это должно было стать одной работающей системой.

Первые два дня ушли на «железо». Оболочку в виде надувной акулы наполняли гелием, а потом балансировали: если центр масс смещён, нос аппарата задирается вверх или вниз, и вместо горизонтального полёта получается, как выразился автор, «довольно грустная воздушная акула». Центром управления стала плата ESP32C3, принимавшая команды по Bluetooth. После загрузки программы дирижабль подключался к смартфону и слушался вручную: вперёд, назад, влево, вправо, стоп. На этом этапе, отмечает преподаватель, это был обычный радиоуправляемый дирижабль, без нейрочасти.

Третий и четвёртый дни отвели на электроэнцефалографию (ЭЭГ) — регистрацию электрической активности мозга электродами на поверхности головы. Здесь и пригодился альфа-ритм. У многих людей при закрытых глазах мощность альфа-активности заметно растёт, и это видно почти в реальном времени. Сигнал при этом маленький, в нём есть шум и артефакты, а качество сильно зависит от контакта электродов с кожей, поэтому порог срабатывания подбирали индивидуально под каждого участника.

Дальше нейроинтерфейс и дирижабль соединяли в один пайплайн: алгоритм отслеживал альфа-активность и сравнивал её с личным порогом, а команда на движение зависела от того, закрыты глаза или открыты. В последний день прошли нейрогонки, команды защитили технические описания решений и рассказали, с какими трудностями столкнулись. По общему зачёту лучшие получили гранты на обучение в Центральном университете.

Почему для управления взяли именно альфа-ритм, а не «мысль о движении вперёд»? Потому что нужен был эффект, который стабильно воспроизводится у большинства людей и виден сразу. Попытка считать намерение напрямую требует другой аппаратуры и другой обработки сигнала, а закрытые глаза дают крупный, легко различимый признак. Условный пример: если бы порог у всех был одинаковым, человек с изначально слабым альфа-ритмом не сдвинул бы аппарат с места, а человек с сильным запускал бы винты случайно. Индивидуальная калибровка как раз убирает этот разброс.

Для школьника такой интенсив — редкая возможность потрогать весь инженерный путь целиком: пайка и балансировка, код на Python, Bluetooth, сырые данные ЭЭГ и правило, превращающее сигнал в движение. Критерий успеха здесь предельно честный: к концу недели аппарат либо летит от сигнала мозга, либо нет. Тем, кто захочет разобрать похожий проект подробнее — например, для школьной исследовательской работы или будущей курсовой, — пригодится помощь с оформлением школьного проекта.