Как устроены современные роботы и как они помогают изучать мозг человека
Материал предоставлен РБК Трендам порталом HSE.RU.
Роботы интересны нейронаукам, а нейронауки интересны роботам — об этом была наша статья «Neuroengineering challenges of fusing robotics and neuroscience» в журнале Science Robotics. Такое совместное развитие способствует прогрессу в обеих отраслях, приближая нас к созданию более совершенных роботов-андроидов и к более глубокому пониманию устройства нашего мозга. А в какой-то степени — к объединению биологических организмов с машинами, к созданию кибернетических организмов (киборгов).
Нейронаука для роботов
По своему устройству роботы нередко копируют человека. Это касается той части роботов, которым важно имитировать человеческие действия и поведение — индустриальным машинам нейронауки не так важны.
Самое очевидное, что могут использовать при разработке робота — делать его внешне похожим на человека. Роботы часто имеют две руки, две ноги и голову, даже если это не обязательно с инженерной точки зрения. Особенно это важно в тех случаях, когда робот будет взаимодействовать с людьми — похожей на нас машине проще доверять.
Можно сделать так, чтобы не только внешний вид, но и «мозг» робота был похож на человеческий. Разрабатывая механизмы восприятия, обработки информации и управления, инженеры вдохновляются устройством нервной системы людей.
Например, глаза робота — телекамеры, которые могут двигаться в разных направлениях — имитируют зрительную систему человека. Опираясь на знание о том, как устроено зрение человека и как происходит обработка зрительного сигнала, инженеры проектируют сенсоры робота по тем же принципам. Таким образом робота можно наделить, например, человеческой способностью видеть мир трехмерным.
У человека есть вестибулоокулярный рефлекс: глаза при перемещении стабилизируются с учетом вестибулярной информации, что позволяет сохранять стабильность картинки, которую мы видим. На теле робота также могут быть датчики ускорения и вертикализации. Они помогают роботу учитывать движения тела для стабилизации зрительного восприятия внешнего мира и совершенствования ловкости.
Кроме того, робот может ощущать точно так же, как человек — на роботе может быть кожа, он может чувствовать прикосновение. И тогда он не просто произвольно движется в пространстве: если он дотрагивается до препятствия, он его ощущает и реагирует так же, как человек. Он может использовать эту искусственную тактильную информацию и для схватывания предметов.
У роботов можно имитировать даже болевые ощущения: какое-то прикосновение ощущается нормально, а какое-то вызывает боль, что в корне меняет поведение робота. Он начинает избегать боли и вырабатывает новые модели поведения, то есть обучается — как ребенок, который впервые обжегся чем-то горячим.
Не только сенсорные системы, но и управление своим телом у робота можно спроектировать по аналогии с человеком. У людей ходьбой управляют так называемые центральные генераторы ритма — специализированные нервные клетки, предназначенные для контроля автономной моторной активности. Есть роботы, в которых для управления ходьбой была использована та же идея.
Кроме того, роботы могут обучаться у людей. Робот может совершать действия бесконечным числом способов, но если он хочет имитировать человека, он должен наблюдать за тем, как человек это делает, и пытаться повторить это движение. При совершении ошибок он сравнивает это с тем, как это же действие совершает человек.
Роботы для нейронауки
Как может использовать роботов нейронаука? Когда мы изготовляем модель биологической системы, мы начинаем лучше понимать, по каким принципам она работает. Поэтому создание механических и компьютерных моделей управления движениями нервной системой человека приближает нас к пониманию нервных функций и биомеханики.
А наиболее перспективное направление использования роботов в современной нейронауке — это проектирование нейроинтерфейсов, систем для управления внешними устройствами с помощью сигналов мозга. Нейроинтерфейсы необходимы для разработки нейропротезов (например, искуственной руки для людей, лишившихся конечности) и экзоскелетов — внешних каркасов тела человека для увеличения его силы или восстановления утраченной двигательной способности.
Робот может взаимодействовать с нервной системой через интерфейс в двух направлениях: нервная система может подавать командный сигнал роботу, в робот от своих сенсоров может подавать человеку сенсорную информацию, вызывая реальные ощущения — за счет стимуляции нервов, нервных окончаний кожи, или самой сенсорной коры мозга. Такие механизмы обратной связи позволяют восстановить чувствительность конечности, если она была утрачена. Они также необходимы для более точных движений роботизированной конечностью, так как именно на основе сенсорной информации от рук и ног мы корректируем движения.
Здесь возникает интересный вопрос — следует ли нам управлять через нейроинтерфейс всеми степенями свободы робота, то есть насколько конкретные команды мы должны ему посылать. Например, можно «приказать» роботизированной руке взять бутылку воды, а конкретные операции — опустить руку, повернуть ее, разжать и сжать пальцы — она совершит сама. Этот подход называется совмещенным контролем — через нейроинтерфейс мы даем простые команды, а специальный контроллер внутри робота выбирает наилучшую стратегию для реализации. Либо можно создать такой механизм, который не поймет команды «взять бутылку»: ему нужно посылать информацию о конкретных, детализированных движениях.
Современные исследования
Ученые в области нейронаук и робототехники изучают различные аспекты работы мозга и устройства роботов. Так, в университете Дьюк я проводил эксперименты с нейроинтерфейсами на обезьянах — так как для точной работы интерфейсов необходимо их прямое подключение к зонам мозга и не всегда такие экспериментальные вмешательства возможны на людях.
В одном из моих исследований обезьяна ходила по дорожке, активность ее моторной коры ее мозга, ответственной за движение ног, считывалась и запускала ходьбу робота. При этом обезьяна наблюдала этого ходящего робота на экране, который был перед ней расположен.
Обезьяна использовала обратную связь, то есть корректировала свои движения на основе того, что она видит на экране. Таким образом разрабатываются наиболее эффективные для реализации ходьбы нейроинтерфейсы.
Кибернетическое будущее
Подобные исследования ведут нас к инновационным разработкам в будущем. Например, создание экзоскелета для восстановления движений у полностью парализованных людей уже не кажется недостижимой фантазией — необходимо только время. Этот прогресс может сдерживать недостаточная мощность компьютеров, но за последние десять лет развитие и здесь было колоссальным. Вполне вероятно. что скоро мы увидим вокруг людей, которые используют для передвижения не коляски, а легкий, удобный экзоскелет. Люди-киборги станут для нас чем-то обыденным.
Коммерческая разработка таких систем идет по всему миру, в том числе и в России. Например, в известном проекте ExoAtlet разрабатывают экзоскелеты для реабилитации людей с двигательными нарушениями. Центр биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ поучаствовал в разработке алгоритмов для этих машин: директор Центра профессор Алексей Осадчий и его аспиранты разработали нейроинтерфейс, запускающий шагательные движения экзоскелета.
Быстрое развитие человекоподобных роботов-андроидов тоже становится реальностью. Вполне вероятно, что скоро вокруг нас будут ходить роботы, которые будут имитировать нас во многих аспектах — двигаться как мы и думать как мы. Они смогут выполнять часть работы, прежде доступной только человеку.
Очевидно, что мы будем видеть развитие и робототехники, и нейронаук, и эти области будут сближаться. Это не только открывает новые возможности, но и создает новые этические вопросы: как мы должны относиться к роботам-андроидам или людям-киборгам.
И все-таки пока человек лучше, чем робот, во многих отношениях. Наши мышцы наиболее экономичны: достаточно съесть бутерброд, чтобы хватило энергии на весь день. У робота заряд батарей закончится через полчаса. И хотя может быть гораздо мощнее, чем человек, он часто оказывается слишком тяжелым. Элегантность и оптимизация энергетических затрат — тут человек пока превосходит робота.
Хотя недалеко то будущее, когда это изменится — в этом направлении работают десятки тысяч талантливых ученых и инженеров.
Подписывайтесь также на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.