abstract

Что это?

Своего рода конструктор для неинвазивных нейроинтерфейсов; состоит из семейства модулей на печатных платах (возможно гибких — обсуждаемо), потребность в которых возникает при разработке различных нейроинтерфейсов наиболее часто:

1. Модуль считывания биоэлектрических сигналов — модуль, измеряющий ЭМГ, ЭЭГ и ЭКГ (фильтр шумов питания, низкошумящий усилительный каскад с полностью дифференциальным входом и высоким входным импедансом, bandpass 1–500 Гц, либо 0–500 Гц в зависимости от кривой распределения шума по спектру усилительного каскада + низкошумящий точный 24-разрядный АЦП), опционально многоканальный, который имеет входы для крепления электродов различного типа, а также выход АЦП, общающегося с внешними устройствами по одному/нескольким из следующих протоколов внутрисхемной коммуникации: SPI, I2C, I2S.
2. Модуль IMU — модуль с фильтром шумов питания, цифровыми акселерометром и гироскопом, общающийся с внешними устройствами по одному/нескольким из следующих протоколов внутрисхемной коммуникации: SPI, I2C, I2S.
3. Модуль питания от аккумулятора — выдает 3.3 В, опционально может поддерживать (для реализации дополнительного функционала) общение по одному/нескольким из следующих протоколов внутрисхемной коммуникации: SPI, I2C, UART.
4. Модуль тактильной обратной связи и ручного пользовательского ввода — модуль с микроконтроллером, к которому через GPIO можно подключить кнопки, джойстики и другие простые устройства пользовательского ввода, а также имеющий ШИМ/аналоговые выходы с буферными усилителями, к которым можно подключить внешние вибромоторы. Общается с внешними устройствами по протоколу внутрисхемной коммуникации UART.
5. Модуль механического аналогового управления — модуль, оцифровывающий аналоговые данные с устройств ввода, содержащих резисторы изгиба и потенциометры (можно посмотреть, например, potentiometer glove на YouTube) (опционально, скорее всего не будем включать в ближайшую заявку, в любом случае требует проработки).
6. Модуль UWB — модуль, содержащий микросхему UWB компании Qorvo, подключаемую через SPI к внешним устройствам; может подключаться к другим аналогичным модулям и определять расстояние до них с высокой точностью, а также обмениваться с ними данными (опционально, скорее всего не будем включать в ближайшую заявку, в любом случае требует проработки).
7. Модуль NPU — предназначенный для обработки получаемых данных при помощи нейросетевых подходов (опционально, скорее всего не будем включать в ближайшую заявку, в любом случае требует проработки).
8. Модуль коммуникации — модуль с микроконтроллером семейства Nordic NRF или Espressif ESP32, поддерживающий подключение вышеописанных модулей по соответствующим протоколам внутрисхемной коммуникации, а также взаимодействие с внешними устройствами по таким беспроводным протоколам, как Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Thread, Wi-Fi, и по проводным протоколам CAN и RS485 (с подключением соответствующих внешних модулей-трансиверов), а также Ethernet (при подключении по SPI внешнего модуля на базе чипа W5500). Также с модулями будет разработан фреймворк для программирования модуля коммуникации (опционально, скорее всего не будем включать в ближайшую заявку, в любом случае требует проработки), семейство сухих электродов для снятия ЭМГ, ЭЭГ, ЭКГ (опционально, скорее всего не будем включать в ближайшую заявку, в любом случае требует проработки) и набор готовых корпусов для модулей с проработанной системой крепления на тело.

Кому и зачем это нужно

В первую очередь я хотел бы использовать это для своих проектов (или проектов кружка, если будем этим заниматься). Официальная версия выглядит следующим образом: Целевая аудитория разрабатываемой платформы разделяется на следующие кластеры:

1. Компании, которые хотят интегрировать нейротехнологии в свой продукт.
2. Стартапы, которые хотят создать продукт с использованием нейротехнологий.
3. Исследовательские организации, нуждающиеся в простой, универсальной и хорошо стандартизированной системе сбора данных.
4. Одиночные энтузиасты, DIY-щики и учебные организации. Востребованность продукта на рынке для первых двух кластеров обусловлена реальными примерами дороговизны выполнения подобных работ. Так, например, компания Neiry, получившая инвестиции в размере 541 миллиона рублей в мае 2021 года, смогла выпустить продукцию на рынок только в конце августа 2023 года. Использование готовых примитивов для разработки поможет значительно упростить выполнение работ на этапах с TRL-3 до TRL-6, а следовательно, позволит снизить затраты на выпуск подобного продукта и уменьшить объем необходимых на ранних стадиях инвестиций для финансирования проекта. Востребованность продукта на рынке для третьего кластера обусловлена огромными бюджетами, выделяемыми по всему миру на различные программы по изучению мозга. Четвертый кластер изначально является меньшим, чем первые два, но потенциально может значительно вырасти при развитии индустрии нейроинтерфейсов.

Сравнение с конкурентами (возможно требует обновления, делал год назад)

Одним из основных подходов, применяемых энтузиастами для разработки собственных приложений, использующих нейротехнологии, является разработка таковых поверх уже продуктово упакованных нейроинтерфейсов, разработчики которых предоставляют доступ к определенному SDK. Однако существуют и компании, выпускающие сильно упрощенные решения для DIY. В процессе подготовки заявки был проведен конкурентный анализ продукции 16 компаний, представляющих в том или ином виде возможности ведения разработки на основе их аппаратного обеспечения: Myoware, Shimmer Sensing, Macrotellect, Neuroplay, Neuroelectrics, Brainproducts, Bitronics Lab, Neiry, Neurosity, Brainaccess, Neurosky, Emotiv, OpenBCI, Plux Biosignals, Delsys и Wearable Sensing (плюс есть ещё компания Neiry, но они работают лишь в B2B; также надо записать компании, которые занимаются IMU для mocup’а; само сравнение у меня на диске лежит, плюсом там ещё про ПО для анализа таких данных). Были выделены следующие метрики:

1. Продукция всего двух компаний может поддерживать работу более чем с 32 каналами данных.
2. Продукция всего семи компаний позволяет работать с несколькими типами неинвазивно получаемых биосигналов.
3. Большая часть качественной продукции представляет собой либо готовые устройства в конечном форм-факторе, либо проводные датчики, подключаемые к громоздкой базовой станции, либо беспроводные датчики, использующие передачу данных при помощи BLE.
4. Более половины продукции использует неудобные липкие/гелевые электроды.
5. Минимальная средняя стоимость одного канала у сравнительно качественных девайсов составляет около 10 тысяч рублей.
6. Лучшим разрешением АЦП, применяемых на рынке нейроинтерфейсов, является 24 бита. Аппаратная часть разрабатываемой платформы будет представлять собой набор легко интегрируемых в конечный продукт печатных плат (опционально гибких). Разрабатываемая платформа позволит легко масштабировать систему для широкого спектра модальностей и на практически неограниченное количество каналов данных за счет опции объединения нескольких модулей коммуникации в единую сеть. Наряду с возможностью интеграции с произвольными внешними электродами, (платформа будет предоставлять набор готовых сухих электродов - это пока опционально, надо найти специалистов, которые разбираются в этом). Модуль IMU и модуль считывания биоэлектрических сигналов будут спроектированы с целью оптимизации шумовых характеристик получаемого сигнала и обеспечения конкурентной стоимости. При этом разрабатываемое решение на начальных этапах выполнения будет проигрывать ряду решений с позиции наличия предоставляемых “из коробки” готовых методов анализа собираемых данных, что может быть изменено при дальнейшей работе над проектом.

К кому сходить

Тут мем на самом деле. Дело в том, что хитрый ход сделала компания Neiry, запустив кучу пилотов, в рамках которых другие компании интегрируют их hardware в свою продукцию. По сути, если у нас будут измеримые преимущества либо дополнительный функционал, то мы можем попытаться продавать продукцию этим же компаниям или, как минимум, их конкурентам :) А так нужно посмотреть на вузы и научные организации, в которых занимаются нейроинтерфейсами, может быть отдельно стоит выделить пока не аффилированные с Neiry.