Hoe moderne robots worden ontwikkeld:'Menselijke cyborgs zullen gemeengoed worden'

Tegenwoordig ontwikkelen neurowetenschap en robotica zich hand in hand. Mikhail Lebedev, academisch supervisor bij het Centrum voor Bio-elektrische Interfaces van de HSE University, sprak over hoe het bestuderen van de hersenen de ontwikkeling van robots inspireert.

Robots zijn interessant voor neurowetenschappen en neurowetenschappen zijn interessant voor robots - dit is waar het artikel "Neuroengineering challenges of fusing robotics and neuroscience" over ging in het tijdschrift Science Robotics .

Dergelijke gezamenlijke ontwikkeling draagt ​​bij aan vooruitgang op beide gebieden, waardoor we dichter bij de ontwikkeling van meer geavanceerde Android-robots en een dieper begrip van de structuur van het menselijk brein komen. En, tot op zekere hoogte, om biologische organismen te combineren met machines, om cybernetische organismen (cyborgs) te creëren.

Neurowetenschap voor robots

Robots lijken vaak op mensen in hun make-up. Dit geldt voor robots die bedoeld zijn om menselijke acties en gedrag na te bootsen - neurowetenschap is minder belangrijk voor industriële machines.

Het meest voor de hand liggende ding om te gebruiken bij het ontwerp van een robot is om het er menselijk uit te laten zien. Robots hebben vaak twee armen, twee benen en een hoofd, ook al is dat technisch gezien niet nodig. Dit is vooral belangrijk wanneer de robot interactie heeft met mensen - een machine die op ons lijkt, is gemakkelijker te vertrouwen.

Het is mogelijk om ervoor te zorgen dat niet alleen het uiterlijk, maar ook het 'brein' van de robot lijkt op dat van een mens. Bij het ontwikkelen van de mechanismen voor perceptie, informatieverwerking en controle, laten ingenieurs zich inspireren door de structuur van het menselijk zenuwstelsel.

Zo bootsen de ogen van een robot – tv-camera’s die langs verschillende assen kunnen bewegen – het menselijke visuele systeem na. Op basis van de kennis van hoe het menselijk zicht is gestructureerd en hoe het visuele signaal wordt verwerkt, ontwerpen ingenieurs de sensoren van de robot volgens dezelfde principes. Op deze manier kan de robot worden begiftigd met het menselijk vermogen om de wereld bijvoorbeeld in drie dimensies te zien.

Mensen hebben een vestibulo-oculaire reflex:de ogen passen stabilisatie toe met behulp van vestibulaire informatie wanneer we bewegen, waardoor we de stabiliteit van het beeld dat we zien behouden.

Er kunnen ook versnellings- en oriëntatiesensoren op het lichaam van een robot zijn. Deze helpen de robot om rekening te houden met lichaamsbewegingen om de visuele waarneming van de buitenwereld te stabiliseren en de wendbaarheid te verbeteren.

Daarnaast kan een robot tastzin ervaren net als een mens – een robot kan huid hebben, hij kan aangeraakt voelen. En dan beweegt het niet zomaar willekeurig in de ruimte:als het een obstakel raakt, voelt het dat en reageert het erop, net als een mens. Het kan deze kunstmatige tactiele informatie ook gebruiken om objecten vast te pakken.

Robots kunnen zelfs pijnsensaties nabootsen:sommige vormen van fysiek contact voelen normaal aan en andere veroorzaken pijn, waardoor het gedrag van de robot drastisch verandert. Het begint pijn te vermijden en nieuwe gedragspatronen te ontwikkelen, dat wil zeggen het leert - zoals een kind dat voor het eerst door iets heets is verbrand.

Niet alleen sensorische systemen, maar ook de lichaamsbesturing van een robot kan analoog aan die van mensen worden ontworpen. Bij mensen wordt lopen gecontroleerd door zogenaamde centrale ritmegeneratoren - gespecialiseerde zenuwcellen die zijn ontworpen om autonome motorische activiteit te regelen. Er zijn robots waarin hetzelfde idee wordt gebruikt om het lopen te controleren.

Bovendien kunnen robots leren van mensen. Een robot kan op oneindig veel manieren acties uitvoeren, maar als hij een mens wil nabootsen, moet hij de mens observeren en proberen zijn bewegingen te herhalen. Wanneer het fouten maakt, vergelijkt het zichzelf met hoe een mens dezelfde actie uitvoert.

Robots voor neurowetenschappen

Hoe kan de neurowetenschap robots gebruiken? Wanneer we een model van een biologisch systeem bouwen, beginnen we de principes waarmee het werkt beter te begrijpen. Daarom brengt het ontwikkelen van mechanische en computermodellen van bewegingscontrole van het menselijk zenuwstelsel ons dichter bij het begrijpen van neurologische functies en biomechanica.

En het meest veelbelovende gebied van het gebruik van robots in de moderne neurowetenschappen is het ontwerpen van neuro-interfaces - systemen voor het besturen van externe apparaten met behulp van hersensignalen. Neuro-interfaces zijn nodig voor de ontwikkeling van neuroprothesen (bijvoorbeeld een kunstmatige arm voor mensen die een ledemaat hebben verloren) en exoskeletten - externe frames of skeletten voor een menselijk lichaam om zijn kracht te vergroten of verloren motoriek te herstellen.

Een robot kan interageren met het zenuwstelsel via een bidirectionele interface:het zenuwstelsel kan een commandosignaal naar de robot sturen, en de robot van zijn sensoren kan sensorische informatie terugsturen naar de mens, waardoor echte sensaties ontstaan ​​door zenuwen, zenuwuiteinden te stimuleren in de huid, of de sensorische cortex zelf.

Dergelijke feedbackmechanismen maken het mogelijk om het gevoel van een ledemaat te herstellen als het verloren is gegaan. Ze zijn ook nodig voor nauwkeurigere bewegingen van het robotledemaat, omdat we onze bewegingen corrigeren op basis van sensorische informatie die we van de armen en benen ontvangen.

Hier rijst een interessante vraag:moeten we alle vrijheidsgraden van de robot via een neurale interface controleren? Met andere woorden, hoe moeten we er specifieke commando's naartoe sturen?

We kunnen bijvoorbeeld de robotarm "bevelen" om een ​​fles water op te pakken, en hij zal specifieke handelingen uitvoeren:hij zal zijn arm laten zakken, draaien, en de vingers van zijn hand ontspannen en op elkaar klemmen - helemaal alleen.

Deze benadering wordt gecombineerde besturing genoemd - we geven eenvoudige opdrachten via een neurale interface en een speciale controller in de robot selecteert de beste strategie voor implementatie.

Of we kunnen een mechanisme creëren dat het 'pak de fles'-commando niet begrijpt:het moet informatie krijgen over specifieke, gedetailleerde bewegingen.

Huidige onderzoeken

Neurowetenschappers en robotwetenschappers bestuderen verschillende aspecten van hersenwerking en robotica. Op de Duke University heb ik bijvoorbeeld experimenten uitgevoerd met neurale interfaces op apen, omdat interfaces direct verbonden moeten zijn met hersengebieden om nauwkeurig te kunnen werken en dergelijke experimentele interventies niet altijd mogelijk zijn op mensen.

In een van mijn onderzoeken liep een aap over een pad en werd de activiteit van zijn motorische cortex, die verantwoordelijk is voor beenbewegingen, gelezen en een robot ertoe aangezet om te gaan lopen. Tegelijkertijd observeerde de aap deze lopende robot op een scherm ervoor.

De aap gebruikte feedback, dus corrigeerde hij zijn bewegingen op basis van wat hij op het scherm zag. Dit is hoe de meest effectieve neurale interfaces voor het implementeren van wandelen worden ontwikkeld.

De cybernetische toekomst

Dergelijk onderzoek leidt ons tot innovatieve ontwikkelingen in de toekomst. Zo lijkt het creëren van een exoskelet om de bewegingen van volledig verlamde mensen te herstellen niet langer een onbereikbare fantasie - het kost alleen tijd.

De vooruitgang mag dan belemmerd worden door het gebrek aan computerkracht, ook hier is de ontwikkeling van de afgelopen tien jaar enorm geweest. Het is waarschijnlijk dat we binnenkort mensen om ons heen zullen zien die lichte, comfortabele exoskeletten gebruiken in plaats van rolstoelen of kinderwagens om ons te verplaatsen.

Menselijke cyborgs zullen gemeengoed worden.

Commerciële ontwikkeling van dergelijke systemen vindt over de hele wereld plaats, ook in Rusland. Zo ontwikkelt het beroemde ExoAtlet-project exoskeletten voor de revalidatie van mensen met een motorische handicap.

Het HSE-centrum voor bio-elektrische interfaces nam deel aan de ontwikkeling van algoritmen voor deze machines:hoofd van het centrum, professor Alexey Ossadtchi, en zijn doctoraatsstudenten ontwikkelden een neuro-interface die de loopbewegingen van het exoskelet activeert.

De snelle ontwikkeling van humanoïde robots wordt ook een realiteit. Het is waarschijnlijk dat er binnenkort robots rondlopen die ons in veel opzichten imiteren - bewegen zoals wij en denken zoals wij. Ze zullen een deel van het werk kunnen doen dat voorheen alleen voor mensen beschikbaar was.

Het is duidelijk dat we de ontwikkeling van zowel robotica als neurowetenschappen zullen zien, en deze velden zullen samenkomen. Dit biedt niet alleen nieuwe kansen, maar creëert ook nieuwe ethische vragen, zoals hoe we Android-robots of menselijke cyborgs moeten behandelen.

En toch zijn mensen tot nu toe in veel opzichten beter dan robots. Onze spieren zijn het meest zuinig:eet een broodje en je hebt genoeg energie voor de hele dag. De robot heeft over een half uur een lege batterij.

En hoewel het misschien veel krachtiger is dan een mens, is het vaak te zwaar. Als het gaat om elegantie en optimalisatie van de energiecapaciteit - tot nu toe is een mens nog steeds superieur aan een robot.

Het is niet ver in de toekomst wanneer dit zal veranderen - er zijn tienduizenden getalenteerde wetenschappers en ingenieurs die aan dit doel werken.

Van onze partnerwebsite, Science and Technology News