Материалы портала «Научная Россия»

Шаг от стрекозы до биоробота

 Когда в нашей жизни появятся экзоскелеты из фильма «Элизиум»? О ближайшем и далеком будущем робототехники рассказал знаменитый инженер биороботов Чарльз Хиггинс из Университета Аризоны.

В 2154 году, по сюжету "Элизиума", пропасть, разделяющая богатых  и бедных, воплотилась в буквальном смысле - элита нашла приют на гигантской кольцевой космической станции «Элизиум» на орбите Земли. Они наслаждаются благами цивилизации, не старея и излечиваясь от любых заболеваний, в то время как большая часть человечества вынуждена жить на Земле, страдая от перенаселения, чудовищной экологии, болезней и нищеты. Для защиты владений привилегированной касты были созданы роботы и специальные экзоскелеты, увеличивающие многократно силу и скорость человека. Это пока лишь сюжет. Однако проекты экзоскелетов, искусственных мышц, протезов и компьютеров для управления всего этого уже реально существуют. Корреспондент Scientific American поговорил с неврологом и робототехником Чарльзом Хиггинсом из Университета Аризоны о возможности появления в ближайшее время машин, повышающих физические способности человека.

Чарльз Хиггинс - глава The Higgins Laboratory в Университете Аризоны, молодой исследователь, известный своими экзотическими разработками, например, стрекозой- биороботом, где электроника совмещена с собственной нервной системой насекомого. Молодой коллектив лаборатории работает под девизом "От разума к роботам - со всем, что их разделяет".

 

 

 

 

Насколько реально подключить человеческий мозг к системам управления экзоскелета?

Существующие на данный момент экзоскелеты достаточно примитивны. Компания Raytheon разработала экзоскелет, способный поднимать 500 фунтов (около 227 килограмм), затрачивая усилия, как если бы он поднимал 10 фунтов (около 5 килограмм), однако данная модель никак не соединена с мозгом человека. Процесс движения в таком костюме очень медленный: cначала вы двигаете рукой, только затем он реагирует на ваше движение.

Есть экзоскелеты, разработанные для людей, страдающих параличом различных частей тела, которые также не взаимодействуют ни с мозгом, ни с мозжечком. В этой области есть огромное количество исследований. В ближайшие 20-30 лет вы сможете увидеть результаты этих разработок. Эти разработки действительно прогрессивны, по сравнению с инвалидными креслами, но сравнивать их с технологиями в кино невозможно. На данный момент новые технологии стараются дать возможность передвигаться человеку, лишенному этой возможности, но уж никак не перепрыгивать через стены.   

Персонажу Мэтта Дэймона что-то вкручивают винтами в затылок, я думаю, что по замыслу создателей, ему ввинчивают что-то в спинной мозг. Экзоскелет скорее всего управляется спинным мозгом. Если бы к вашему головному и спинному мозгу можно было бы подключить шнуры и подключить к ним компьютер, то вы могли бы обладать сверхчеловеческими рефлексами. На сегодня такой технологии не существует. На данный момент технологии даже не достигли уровня главного героя из телесериала «Человек на шесть миллионов долларов».

Какие еще возможности открыли бы такие экзоскелеты?

Они бы реально смогли помочь пожилым людям. Моим родителям сейчас около 80 лет и они не могут долго ходить или гулять. Я представляю, что если бы у моей мамы был такой костюм, она могла бы тратить гораздо меньше сил на прогулки. Если вы в старости смогли бы ходить в экзоскелете, то смогли бы поднять на 100 фунтов (около 50 килограмм) больше, чем когда были молоды. Это большой плюс к мобильности и независимости пожилых людей. Экзоскелеты могли бы даже помочь людям с болезнью Паркинсона, настроив систему управления костюмом так, чтобы она не реагировала на дрожательные движения.

Как долго мы не увидим разработок такого рода?

Есть две основных проблемы: одной из них является долгосрочный интерфейс управления головным и спинным мозгом. Сейчас мы можем подсоединить к мозгу электроды, но их тестирование и доработка займут еще несколько лет. Мозг имеет способность изолировать инородные тела – что, безусловно, играет нам на руку. Вторая часть заключается в том, что мы недостаточно знаем о том, каким образом подключить всю электронику к головному и спинному мозгу. Судя по фильму, эту проблему решили до 2154 года, возможно так и будет, но до 2054 я думаю, проблему не решим.

Другая немаловажная проблема - это энергия. При ходьбе мы тратим достаточно мало энергии, ведь каждый наш шаг это падение и ахиллово сухожилие, сжимаясь, забирает себе часть этой энергии, затем, разжимаясь, толкает нас вперед. Так мы можем пройти многие мили. У экзоскелета Raytheon имеется трос, по которому к костюму подводится электричество, поскольку потребление энергии колоссально. Технология батарей, способных долго питать такие устройства, пока не существует. Если в качестве энергии использовать миниатюрный ядерный реактор для питания костюма, как говорится об этом в фильме, то в случае аварийной ситуации вы рискуете серьёзно пострадать и навредить окружающим.

Но вы же уже соединили вместе насекомых и роботов?

Я создал гибридных роботов, интерфейс управления которыми связан с мозгом насекомых. Первые опыты мы ставили на бражниках. Задача была заставить робота-гибрида поворачиваться налево и направо. Для этого мы подключили электроды в мозг насекомого, и нам это удалось, хотя было очень непросто это сделать.

Тогда мы взяли стрекоз. Стрекозы хорошо замечают маленькие, движущиеся цели. Они живут несколько лет, а период их взросления всего 12 недель. Стрекозы занимаются лишь поиском еды и партнера для спаривания и являются хищниками мира насекомых. Если стрекоза видит насекомое, то у нее возникает две мысли: либо съесть его, либо спариться с ним. Их визуальный сенсор можно использовать для поиска маленьких, движущихся объектов.

В качестве подопытных я также рассматривал богомолов. Я создаю для них тела, своего рода экзоскелеты, в несколько раз больше их самих, чтобы увидеть, смогут ли они с ними справиться. Богомолы заинтересовали меня из-за сложности устройства их поведения и ходьбы. Я хочу понять, могу ли я скрестить его с роботом.

Появления каких устройств Вы предвидите?

Мозговая ткань действительно может быть широко использована, правда пока не для компьютеризированных систем. Обработка сенсорной информации является хорошим примером. Мы не можем создать настолько чувствительный визуальный сенсор для обнаружения мелких объектов, как у стрекоз и уж точно не таком же уровне энергопотребления, какой затрачивает сама стрекоза. Так что же будет, если скрестить живой организм с роботом? В случае успеха мы получим лучшее из обоих миров: высокую скорость обработки на основе кремниевой фотоники и нейронные биологические сети. Вернемся к примеру с бражниками. Их можно обучить распознавать взрывчатые вещества и чувствовать их запах. Вы внедряетесь в обонятельную систему насекомого и настраиваете ее так, чтобы она могла распознавать запах бомбы. В итоге получается железный робот с обонятельной системой насекомого. Или возьмем снова стрекозу. Совместив робота и систему визуализации стрекозы, мы сможем создать робота, способного свободно летать, автономно избегая препятствий. 

Подобные технологии дешевы, но поскольку здесь мы используем биоматериал, то он не долговечен, поэтому его необходимо регулярно заменять. Подобные разработки сейчас уже можно внедрить в военную промышленность. Сейчас мои проекты как раз финансирует ВВС США. Вот если взять обычные беспилотники - дроны, то достаточно просто сбить, поскольку они управляются с земли и обнаружить во время врага, запустившего в дрон ракету, трудно. В случае применения систем визуализации стрекоз, которые смогли бы заранее заметить с высоты противника, потерю боевой единицы можно было бы избежать

Можно ли расширить Вашу  систему насекомое-робот до человеческого уровня?

В теории гибридная система применима и для подключения к спинному и головному мозгу. Например, если имплантировать электроды в грудную мышцу и подключить их к роботу, то вы вполне сможете управлять роботом, посредством вырабатываемых вашей мышцей, импульсов.

Если вы захотите в 50 или 75 лет стать летчиком-истребителем, то подключив через гибридную систему вас к самолету, вы сможете управлять им гораздо эффективнее, а быстрота реакции будет в разы больше чем у молодых летчиков.

Насколько вероятно, что роботы в будущем будут сражаться вместо нас?

Это зависит от многого: когда мы сможем создать искусственный интеллект? Когда роботы смогут выполнять задачи, например, подобные той, что выполнял Мэтт Дэймон в «Элизиуме»? Пока мы очень далеки от этого.

Мы пока еще даже не разобрались до конца в работе мозга насекомых, что уж говорить о человеческом. Поэтому пока стоит сосредоточиться на насекомых, возможно разобравшись в этом, мы сможем понять, что принцип работы мозга насекомого похож на принцип работы мозга крысы, кошки и так далее по возрастающей.

В обозримом будущем, даже в 2254 году, люди все равно будут интересоваться больше развитием собственных возможностей, чем созданием автономных устройств.

Опубликовано по материалам журнала "Scientific American"

"элизиум" the higgins laboratory биороботы нейроинженерия университет аризоны чарльз хиггинс экзоскелет

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий