Как разрабатываются современные роботы:«Люди-киборги станут обычным явлением»

Сегодня нейробиология и робототехника развиваются рука об руку. Михаил Лебедев, научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ, рассказал о том, как изучение мозга вдохновляет на разработку роботов.

Роботы интересны нейронауке, а нейробиология интересна роботам — об этом была статья «Нейроинженерные проблемы слияния робототехники и нейробиологии» в журнале Science Robotics .

Такая совместная разработка способствует прогрессу в обеих областях, приближая нас к разработке более совершенных роботов-андроидов и более глубокому пониманию структуры человеческого мозга. И в какой-то мере к объединению биологических организмов с машинами для создания кибернетических организмов (киборгов).

Нейронаука для роботов

Роботы часто напоминают людей своим внешним видом. Это верно для роботов, которые призваны имитировать действия и поведение человека — нейробиология менее важна для промышленных машин.

Самое очевидное, что можно использовать в дизайне робота, — это сделать его похожим на человека. Роботы часто имеют две руки, две ноги и голову, даже если это не нужно с инженерной точки зрения. Это особенно важно, когда робот будет взаимодействовать с людьми — машине, похожей на нас, доверять легче.

Можно добиться того, чтобы не только внешний вид, но и «мозг» робота был похож на человеческий. При разработке механизмов восприятия, обработки информации и управления инженеры вдохновлялись структурой нервной системы человека.

Например, глаза робота — телекамеры, которые могут двигаться по разным осям — имитируют зрительную систему человека. Основываясь на знаниях о том, как устроено человеческое зрение и как обрабатывается визуальный сигнал, инженеры проектируют датчики робота по тем же принципам. Таким образом, робот может быть наделен человеческой способностью видеть мир, например, в трех измерениях.

У людей есть вестибуло-окулярный рефлекс:глаза применяют стабилизацию, используя вестибулярную информацию, когда мы двигаемся, что позволяет нам сохранять стабильность картинки, которую мы видим.

Также на корпусе робота могут быть датчики ускорения и ориентации. Они помогают роботу учитывать движения тела, чтобы стабилизировать визуальное восприятие внешнего мира и улучшить маневренность.

Кроме того, робот может ощущать осязание так же, как человек — у робота может быть кожа, он может чувствовать прикосновение. И тогда он не просто хаотично перемещается в пространстве:если он касается препятствия, он его чувствует и реагирует на него так же, как и человек. Он также может использовать эту искусственную тактильную информацию для захвата объектов.

Роботы могут даже имитировать болевые ощущения:некоторые формы физического контакта кажутся нормальными, а некоторые вызывают боль, что резко меняет поведение робота. Он начинает избегать боли и вырабатывает новые модели поведения, то есть учится – как ребенок, которого впервые обожгли чем-то горячим.

Не только сенсорные системы, но и управление телом робота можно сконструировать аналогично человеческому. У человека ходьба контролируется так называемыми центральными генераторами ритма — специализированными нервными клетками, предназначенными для управления автономной двигательной активностью. Есть роботы, в которых та же идея используется для управления ходьбой.

Кроме того, роботы могут учиться у людей. Робот может выполнять действия бесконечным числом способов, но если он хочет имитировать человека, он должен наблюдать за человеком и пытаться повторить его движения. Когда он делает ошибки, он сравнивает себя с тем, как человек выполняет то же действие.

Роботы для нейробиологии

Как нейробиология может использовать роботов? Когда мы строим модель биологической системы, мы начинаем лучше понимать принципы, по которым она работает. Таким образом, разработка механических и компьютерных моделей управления движениями нервной системы человека приближает нас к пониманию неврологических функций и биомеханики.

А самое перспективное направление использования роботов в современной нейронауке — проектирование нейроинтерфейсов — систем для управления внешними устройствами с помощью сигналов мозга. Нейроинтерфейсы необходимы для разработки нейропротезов (например, искусственная рука для людей, потерявших конечность) и экзоскелетов — внешних каркасов или каркасов человеческого тела для увеличения его прочности или восстановления утраченных двигательных способностей.

Робот может взаимодействовать с нервной системой через двунаправленный интерфейс:нервная система может посылать роботу командный сигнал, а робот от своих датчиков может возвращать сенсорную информацию человеку, вызывая настоящие ощущения за счет стимуляции нервов, нервных окончаний. в коже или в самой сенсорной коре.

Такие механизмы обратной связи позволяют восстановить чувствительность конечности, если она была утрачена. Они также необходимы для более точных движений роботизированной конечности, поскольку именно на основе сенсорной информации, получаемой от рук и ног, мы корректируем свои движения.

Здесь возникает интересный вопрос:должны ли мы управлять всеми степенями свободы робота через нейроинтерфейс? Другими словами, как мы должны отправлять ему определенные команды?

Например, мы можем «заказать» роботизированной руке взять бутылку с водой, и она будет выполнять определенные действия:опускать руку, поворачивать ее, разжимать и сжимать пальцы на руке — и все это самостоятельно.

Такой подход называется комбинированным управлением — мы даем простые команды через нейроинтерфейс, а специальный контроллер внутри робота выбирает лучшую стратегию для реализации.

Или мы можем создать механизм, который не будет понимать команду «возьми бутылку»:ему нужно передавать информацию о конкретных, детальных движениях.

Текущие исследования

Нейробиологи и робототехники изучают различные аспекты работы мозга и роботизированных устройств. Например, в Университете Дьюка я проводил эксперименты с нейронными интерфейсами на обезьянах, так как интерфейсы должны быть напрямую связаны с областями мозга, чтобы они работали точно, а такие экспериментальные вмешательства не всегда можно проводить на людях.

В одном из моих исследований обезьяна шла по дорожке, и активность ее моторной коры, отвечающей за движение ног, считывалась и запускала робота, чтобы он начал идти. В то же время обезьяна наблюдала за ходячим роботом на экране, расположенном перед ней.

Обезьяна использовала обратную связь, поэтому корректировала свои движения в зависимости от того, что видела на экране. Так разрабатываются самые эффективные нейроинтерфейсы для реализации ходьбы.

Кибернетическое будущее

Такие исследования ведут нас к инновационным разработкам в будущем. Например, создание экзоскелета для восстановления движений полностью парализованных людей уже не кажется недостижимой фантастикой — просто на это нужно время.

Прогресс может сдерживаться нехваткой вычислительной мощности, но развитие за последние десять лет и здесь было колоссальным. Вполне вероятно, что скоро мы увидим, как люди вокруг нас передвигаются в легких, удобных экзоскелетах, а не в инвалидных креслах или колясках.

Люди-киборги станут обычным явлением.

Коммерческая разработка таких систем ведется во всем мире, в том числе и в России. Например, известный проект «ЭкзоАтлет» занимается разработкой экзоскелетов для реабилитации людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата.

В разработке алгоритмов для этих машин участвовал Центр биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ:руководитель центра, профессор Алексей Осадчий и его аспиранты разработали нейроинтерфейс, запускающий шагающие движения экзоскелета.

Стремительное развитие человекоподобных роботов также становится реальностью. Вполне вероятно, что скоро у нас появятся роботы, которые во многом будут подражать нам — двигаться, как мы, и думать, как мы. Они смогут выполнять часть работы, ранее доступной только людям.

Очевидно, мы увидим развитие как робототехники, так и нейронауки, и эти области будут конвергироваться. Это не только открывает новые возможности, но и ставит новые этические вопросы, например, как мы должны относиться к роботам-андроидам или людям-киборгам.

И все же пока что люди во многих отношениях лучше роботов. Наши мышцы самые экономные:съешьте бутерброд, и вам хватит энергии на весь день. Батарея робота разрядится через полчаса.

И хотя он может быть намного сильнее человека, он часто слишком тяжел. Что касается элегантности и оптимизации энергоемкости — пока что человек все еще превосходит робота.

Это изменится в ближайшем будущем — над этой целью работают десятки тысяч талантливых ученых и инженеров.

С веб-сайта нашего партнера, Новости науки и технологий