Достигнув определённого уровня мастерства в игре на фортепиано, многие музыканты сталкиваются с проблемой "потолка" – когда дальнейший прогресс, несмотря на интенсивные тренировки, становится крайне затруднителен или вовсе невозможен. Исследователи из лаборатории Sony Computer Science нашли решение этой проблемы. Под руководством Шиничи Фуруя, они разработали роботизированный экзоскелет, который, как оказалось, способен помочь пианистам выйти на новый уровень исполнения.
Сам Шиничи Фуруя, будучи пианистом, не понаслышке знаком с проблемой травм от перенапряжения во время репетиций. Вспоминая, как учителя направляли его руки, демонстрируя технику исполнения сложных пассажей, он предположил, что подобного эффекта можно достичь при помощи специального устройства. Так родилась идея создания экзоскелетной роботизированной руки, способной точно манипулировать отдельными пальцами.
В отличие от существующих аналогов, нацеленных на решение задач по реабилитации или создание тактильной обратной связи в виртуальной реальности, разработка Фуруя и его команды фокусируется на тонкой моторике, необходимой для виртуозной игры на фортепиано. Устройство, прикрепляемое к правой руке, позволяет с высокой точностью сгибать и разгибать пальцы в пястно-фаланговых суставах.
Чтобы оценить эффективность изобретения, провели серию экспериментов с участием более сотни пианистов. В первом из них группа из 30 человек в течение двух недель отрабатывала дома на инструменте особую "аккордовую трель". Это технически сложное упражнение, которое можно встретить в произведениях таких композиторов, как Шопен, Равель и Бетховен, подразумевает поочередное быстрое нажатие двух пар клавиш разными пальцами. Затем участники эксперимента были разделены на две группы для тестирования в лабораторных условиях. В течение получаса роботизированная рука пассивно двигала пальцами музыкантов, выполняя ту же аккордовую трель, но в темпе, превышающем их собственные возможности.
Результаты оказались впечатляющими. Даже у тех пианистов, чей прогресс замедлился после многих недель практики, пассивная тренировка с роботом привела к значительному увеличению максимальной скорости исполнения. Причем положительный эффект наблюдался и в нетренированной левой руке, что говорит о так называемом "межручном переносе" навыка.
Второй эксперимент, в котором участвовали 60 пианистов, помог более точно определить, какие именно аспекты движений, воспроизводимых роботом, способствуют улучшению моторики. Третий же, с участием 28 человек, был посвящен изучению изменений в работе мозга, а именно — кортикоспинальной системы, отвечающей за движения. С помощью электромиографии (ЭМГ) и стимуляции моторной коры ученые зафиксировали, что именно пассивная тренировка с экзоскелетом вызывает нейронную адаптацию, приводящую к улучшению моторных навыков.
Роботизированная экзоскелетная рука, прикрепленная к пальцам правой руки. Устройство может сгибать и разгибать пястно-фаланговые суставы отдельных пальцев. Автор: Шиничи Фуруя
Важно отметить, что есть и негативные моменты при использовании экзоскелета. Так, участники экспериментов быстро утомлялись, что не позволило увеличить продолжительность сессий. Тем не менее, авторы уверены, что результаты их работы открывают новые перспективы не только для профессиональных музыкантов, но и для людей, нуждающихся в реабилитации после травм и неврологических заболеваний, влияющих на мелкую моторику. Использование роботизированных экзоскелетов для освоения навыков, ранее считавшихся недостижимыми, может стать прорывом в самых разных областях. Исследование опубликовано в журнале Science Robotics (DOI: 10.1126/scirobotics.adn3802).
