Benjamin Choi dieci anni fa quando era in terza elementare, aveva visto su “60 Minutes” un documentario su una protesi controllata dalla mente. I ricercatori avevano impiantato minuscoli sensori nella corteccia motoria del cervello di una paziente, spostava un braccio robotico usando solo i suoi pensieri. Benjamin Choi era affascinato dal concetto, paragonandolo a qualcosa di un film di Star Wars.
Benjamin Choi ora diciassettenne ha detto:
«Ero davvero sbalordito in quel momento perché questa tecnologia era così impressionante, ma ero anche allarmato perché era necessario un rischioso intervento chirurgico, inaccessibile per molti perché molto costoso».
Benjamin Choi in Virginia anni dopo, quando la pandemia ha colpito nel 2020, era un alunno delle superiori, si era ritrovato improvvisamente con molto tempo libero. Il laboratorio in cui aveva programmato di trascorrere l’estate alla ricerca di combustibili a base di alluminio era stato chiuso, il documentario che aveva visto anni prima gli era rimasto impresso, decise di usare il suo tempo libero per costruire un braccio protesico meno invasivo.
Benjamin Choi nel suo laboratorio improvvisato sul tavolo da ping-pong nel suo seminterrato (dove a volte lavorava 16 ore il giorno!), ha progettato in modo indipendente la prima versione del suo braccio protesico usando la stampante 3D da 75 dollari di sua sorella e il filamento per la stampante.
La stampante non era in grado costruire elementi superiori ai 12 centimetri di lunghezza, quindi ha stampato il braccio protesico in piccoli elementi imbullonati ed elasticizzati insieme.
Benjamin Choi per chiunque fosse interessato, ha pubblicato le istruzioni online. Ha detto:
«In totale ci sono volute circa 30 ore per la stampa, questa versione funziona utilizzando i dati delle onde cerebrali e i movimenti della testa».
Benjamin Choi in precedenza aveva acquisito una certa esperienza nella costruzione di robot e nel codificare, partecipando alla robotica competitiva a livello di scuola elementare, media e superiore, e più volte anche ai campionati mondiali. Ha imparato da solo alla scuola superiore i linguaggi di programmazione Python e C++ guardando video su Stack Overflow, un sito per programmatori.
Il braccio protesico non invasivo e controllato dalla mente di Benjamin Choi dopo più di settantacinque iterazioni di progettazione è ora realizzato con materiali a livello ingegneristico in grado di sopportare pesi fino a circa quattro tonnellate. Funziona usando un algoritmo guidato dall’intelligenza artificiale (A.I.) che interpreta le onde cerebrali dell’utente. Il costo per la produzione è di circa 300 dollari, significa un enorme risparmio rispetto a ciò che è attualmente sul mercato, per esempio, una protesi dell’arto superiore più elementare, alimentata dal corpo, costa circa 7.000 dollari; a partire dal 2015, l’avanzatissimo Modular Prosthetic Limb a braccio intero, che ha 26 articolazioni, centinaia di sensori, costa circa 500.000 dollari, questa protesi, abbinata a un intervento chirurgico per reindirizzare i nervi che una volta controllavano il braccio, permette ai pazienti di comandare l’arto con i loro pensieri e persino di sentire la consistenza attraverso di esso.
Benjamin Choi ora alla Potomac School in Virginia, con la sua invenzione ha guadagnato un posto tra i primi 40 finalisti del Regeneron Science Talent Search di quest’anno, la più antica e prestigiosa competizione scientifica e matematica per gli studenti delle scuole superiori. La vincitrice del primo posto di quest’anno è stata Christine Ye nata a Sammamish nel distretto di Washington, ha sviluppato un metodo per analizzare le onde gravitazionali emesse dalle collisioni tra stelle di neutroni.
Benjamin Choi ha detto:
«Significa molto per me vedere che il mio lavoro è riconosciuto in questo modo, sono sicuramente molto grato di essere un finalista».
Si stima che 2 milioni di persone vivano con la perdita di un arto negli Stati Uniti, e circa 185.000 amputazioni si verificano ogni anno. L’Organizzazione Mondiale della Sanità afferma che solo una persona su dieci che ha bisogno di prodotti di assistenza, tra cui protesi e òrtesi, ha accesso ad essi, citando “costi elevati” e una “mancanza di consapevolezza, disponibilità, personale qualificato, politiche e finanziamenti”.
Il braccio protesico di Benjamin Choi utilizza l’elettroencefalografia, o EEG, per evitare le tecniche invasive di altre protesi. I dispositivi EEG registrano l’attività elettrica del cervello utilizzando sensori posti sulla testa, sono spesso usati in medicina per diagnosticare l’epilessia o altri disturbi del cervello.
Il suo sistema utilizza due elettrodi: un sensore di base che si aggancia al lobo dell’orecchio e un altro sulla fronte che raccoglie i dati EEG. L’elettrodo sulla fronte raccoglie informazioni sulle onde cerebrali, che via Bluetooth vengono inviate a un microchip nel braccio protesico; un modello A.I. creato da Benjamin Choi, anch’esso incorporato nel chip, decifra i dati e li converte in una previsione di ciò che il cervello sta pensando. Il braccio protesico si muove usando anche i movimenti della testa e si ferma con ammiccamenti intenzionali.
Benjamin Choi sei mesi dopo aver iniziato a costruire il braccio protesico, ha pubblicato un video su YouTube dimostrando la sua destrezza. La protesi ha attirato l’attenzione di Joseph Dunn, un amputato dell’arto superiore della Pennsylvania. Benjamin Choi a distanza ha iniziato a consultarsi con lui sul design.
Benjamin Choi ha detto:
«Lavorare con il signor Joseph Dunn ha reso questo progetto davvero d’impatto, stimolante e motivante, forse questo suona un po’ come un cliché, ma penso che si possa davvero aiutare le persone, attraverso l’ingegneria e la tecnologia».
Il giovane inventore nel 2021 ha vinto un finanziamento dal Massachusetts Institute of Technology per continuare la sua ricerca e lavorare con gli esperti dell’università; per circa sei mesi, ha sperimentato il cloud computing per rendere il braccio protesico compatibile con internet.
Benjamin Choi ha detto:
«Questi modelli di A.I. possono diventare enormi, pensavo di memorizzarli nel cloud e poi far comunicare il braccio protesico via Wi-Fi, ma questo non ha funzionato per due motivi: primo, ci voleva troppo tempo perché il braccio protesico rispondesse ai pensieri dell’utente, ciò non è l’ideale, perché soprattutto per le protesi, si vuole che funzionino rapidamente in tempo reale; in secondo luogo, un utente dovrebbe essere costantemente connesso al Wi-Fi, che non è pratico, per questo ho compresso il mio modello A.I. che contiene diversi sotto-modelli e l’ho memorizzato in un microchip dual-core all’interno del braccio protesico».
Benjamin Choi per creare il suo modello A.I., nella sua scuola e a casa ha lavorato indipendentemente con sei volontari adulti per circa due ore ciascuno, mentre raccoglieva i dati delle loro onde cerebrali tramite un elettrodo sulla fronte, chiedeva ad ogni partecipante di concentrarsi sullo stringere e rilasciare la mano. Ha addestrato l’I.A. a distinguere tra i segnali cerebrali, il modello di I.A. impara continuamente dalle onde cerebrali di un utente.
Benjamin Choi ha aggiunto:
«Più lo usi, più capisce specificamente come pensi, quali sono i tuoi schemi di onde cerebrali, fino a quando nel tempo la precisione aumenta davvero in modo significativo per te».
L’algoritmo in totale ha più di 23.000 linee di codice, con 978 pagine di matematica e sette sub-algoritmi completamente nuovi. L’algoritmo di Benjamin Choi funziona con una precisione media del 95%, ha detto che la precedente valutazione per una rete neurale artificiale simile era del 73,8%.
Brock Wester, ingegnere biomedico della Johns Hopkins University con un background in neuroprotesi, ha detto:
«La tecnologia di Benjamin Choi è impressionante, soprattutto se si considera che la protesi nel documentario “60 Minutes” aveva un grande team di ricercatori che ci lavorava, mentre Benjamin Choi ha progettato l’intero braccio protesico da solo. Che sia stato in grado di costruire questo braccio protesico, di sviluppare i controlli per esso e gli algoritmi per decodificare in tempo reale i suoi segnali neurali, per inviare quei segnali di controllo, penso che tutto questo sia notevole. Dovrebbe continuare a fare ricerca in questo settore, perché penso che possa dare molti contributi importanti».
Brock Wester ha evidenziato che Benjamin Choi ha ancora un po’ di ingegneria da fare, specialmente per come il braccio protesico si collega al corpo dell’utente, ora è su un paletto fisso che poggia su una base.
Benjamin Choi ha detto che alla fine progetterà una presa, ma questo processo richiederà un adattamento personalizzato per l’utente.
Benjamin Choi la scorsa estate è stato selezionato al prestigioso Programma di ricerca Simons Fellow ospitato presso la Stony Brook University permette agli studenti di partecipare a esperienze pratiche di ricerca. I candidati accettati sono affiancati da stimati mentori della facoltà di Stony Brook con cui condurre le loro ricerche. Benjamin Choi sull’algoritmo di apprendimento automatico della sua A.I., ha lavorato a distanza con Ji Liu, professore del dipartimento di ingegneria elettrica e informatica.
Ji Liu ha detto:
«Anche se ho dato a Benjamin Choi alcuni consigli di alto livello sull’algoritmo, tra cui come costruire set di dati di allenamento più completi, lui sui dettagli più accurati ha lavorato da solo. La novità dietro il suo progetto è che ha applicato a basso costo tecniche di apprendimento automatico con prestazioni paragonabili a macchine più costose e avanzate. Non solo è molto intelligente, ma lavora anche duramente e in modo indipendente, anche questa è una qualità eccezionale rispetto agli studenti laureati».
Benjamin Choi ha anche vinto premi nella Regeneron International Science and Engineering Fair, nella Microsoft Imagine Cup e nella National At-Home STEM Competition; per produrre il suo braccio protesico ha ricevuto una sovvenzione di produzione nell’ottobre 2020 da PolySpectra, Inc, una società che produce materiali durevoli stampati in 3-D.
Benjamin Choi al di fuori dell’ingegneria, è un giocatore di squash di livello nazionale, presidente del corpo studentesco della sua scuola, autore di racconti pubblicati, suona il violino con i migliori risultati in diverse competizioni, è il fondatore di una squadra di studenti Potomac che ha gareggiato nel quiz show della NBC “It’s Academic”.
Benjamin Choi ha intenzione di studiare ingegneria al college, vuole continuare a migliorare la sua protesi. Ha l’obiettivo di condurre uno studio clinico con pazienti con perdite agli arti superiori. Ha già acquisito due brevetti provvisori per la sua invenzione: uno per la neuroprotesi e l’altro per l’algoritmo di interpretazione delle onde cerebrali.
Benjamin Choi in conclusione ha detto:
«Il mio algoritmo potrebbe avere usi al di là delle protesi, compreso il controllo di dispositivi di assistenza come sedie a rotelle e aiutare i pazienti con SLA a comunicare. L’interpretazione delle onde cerebrali è un campo emergente davvero grande, il mio algoritmo è il migliore di tutti gli algoritmi riportati in letteratura con un margine piuttosto significativo. Penso che in futuro potrebbe avere grandi applicazioni».