Как развиваются современные роботы?

На сегодняшний день нейробиология и робототехника развиваются рука об руку. Михаил Лебедев, научный руководитель Центра Биоэлектрических Интерфейсов ВШЭ, говорит, что изучение мозговой деятельности вдохновляет развитие робототехники.

Робототехника заинтересована в нейробиологии и наоборот — об этом говорится в статье «Нейробиология и вопросы нейроинженерии о сплавлении роботов» в журнале Science Robotics. Подобное совместное развитие способствует прогрессу в обеих областях, продвигая нас ближе к развитию современных роботов-андроидов, углубленному пониманию строения человеческого мозга, а также, в какой-то степени, к совмещению биологических организмов с машинами, чтобы создать кибернетические организмы (киборгов).

Нейробиология для роботов

Роботы часто походят своим внешним видом на людей. Это оправдано для роботов, которые призваны мимикрировать человеческие действия и привычки, для промышленных же машин нейробиология не так важна.

Самое очевидное решение в дизайне роботов — это сделать их похожими на людей. Роботы часто имеют две руки, две ноги и голову, даже если это и не нужно с точки зрения машиностроения. Это особенно важно, когда робот взаимодействует с человеком. Проще доверять машине, которая выглядит так же, как и мы.

Можно гарантировать, что не только внешность, но также и «мозги» роботов походят на человеческие. Для развития механизмов восприятия, обработки информации и контроля инженеры вдохновлялись строением нервной системы человека.

Например, глаза роботов — это камеры, способные двигаться по различным осям координат, имитируя зрительную систему человека. Инженеры создавали сенсоры роботов, основываясь на строении человеческого зрения и обработке зрительного сигнала. Так роботы могут быть наделены, например, человеческой способностью видеть мир в трех измерениях (3D).

У людей есть вестибулоокулярный рефлекс: глаза стабилизируются, когда мы двигаем головой, что позволяет нам поддерживать стабильность картины, которую мы видим. На теле робота также могут быть датчики ускорения и ориентации. Они помогают роботу учитывать движения тела, стабилизировать зрительное восприятие внешнего мира и улучшать ловкость.

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

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

Не только сенсорные системы, но и системы управления роботом могут быть сконструированы аналогично человеческим. У людей ходьба контролируется так называемыми центральными генераторами ритма — специализированными нервными клетками, предназначенными для управления автономной двигательной активностью. Есть роботы, в которых используется та же идея для управления ходьбой.

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

Роботы для нейробиологии

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

Наиболее перспективной областью применения роботов в современной нейробиологии является разработка нейроинтерфейсов — систем управления внешними устройствами с помощью сигналов мозга. Нейроинтерфейсы необходимы для разработки нейропротезов (например, искусственной руки для людей, потерявших конечность) и экзоскелетов — внешних каркасов или скелетов для человеческого тела, чтобы увеличить его силу или восстановить утраченную двигательную способность.

Робот может взаимодействовать с нервной системой через двунаправленный интерфейс: нервная система может посылать роботу командный сигнал, а робот со своих датчиков может возвращать сенсорную информацию человеку, вызывая реальные ощущения путем стимуляции нервов, нервных окончаний в коже или самой сенсорной коры. Такие механизмы обратной связи позволяют снова ощущать свою конечность, если она была утрачена. Они также необходимы для более точных движений роботизированной конечности, поскольку именно на основе сенсорной информации, полученной от рук и ног, мы корректируем наши движения.

Здесь возникает интересный вопрос: должны ли мы управлять всеми степенями свободы робота через нейронный интерфейс? Другими словами, как мы должны посылать ему конкретные команды? Например, мы можем «приказать» роботизированной руке взять бутылку с водой, и она будет выполнять определенные операции: опускать руку, поворачивать ее, разжимать и сжимать пальцы на руке — и все это самостоятельно. Такой подход называется комбинированным управлением: мы отдаем простые команды через нейроинтерфейс, а специальный контроллер внутри робота выбирает наилучшую стратегию для реализации. Или мы можем создать механизм, который не поймет команду «взять бутылку»: ему нужно будет передавать информацию о конкретных, детализированных движениях.

Недавние исследования

Нейробиологи и робототехники изучают различные аспекты работы мозга и роботизированных устройств. Например, в Университете Дьюка я (автор статьи — прим. перев. ) проводил эксперименты с нейронными интерфейсами на обезьянах. Интерфейсы должны быть непосредственно связаны с областями мозга, чтобы они работали точно, и такие экспериментальные вмешательства не всегда возможно выполнять на людях.

В одном из моих (авторских — прим. перев. ) исследований обезьяна шла по тропинке, и активность ее моторной коры, которая отвечает за движение ног, считывалась и запускала робота, чтобы он начал ходить. В это же время обезьяна наблюдала за этим идущим роботом на экране, расположенном прямо перед ней.

Обезьяна использовала обратную связь, поэтому она корректировала свои движения, основываясь на том, что видела на экране. Именно так разрабатываются наиболее эффективные нейронные интерфейсы для реализации ходьбы.

Будущее кибернетики

Такие исследования лежат в основе инновационных разработок в будущем. Например, создание экзоскелета для восстановления движений полностью парализованных людей уже не кажется недостижимой фантазией — на это просто требуется время. Прогресс может быть сдержан недостатком вычислительной мощности, но ее развитие за последние десять лет также было огромным. Вполне вероятно, что вскоре мы увидим, как люди вокруг нас используют легкие и удобные экзоскелеты, а не инвалидные коляски для передвижения. Люди-киборги станут обычным явлением.

Коммерческое развитие таких систем происходит во всем мире, в том числе и в России. Например, знаменитый проект «ЭкзоАтлет» разрабатывает экзоскелеты для реабилитации людей с нарушениями двигательной функции. В разработке алгоритмов для этих машин принимал участие Центр биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ: руководитель центра профессор Алексей Осадчий и его аспиранты разработали нейроинтерфейс, запускающий ходьбу экзоскелета.

Стремительное развитие гуманоидных роботов также становится реальностью. Вполне вероятно, что скоро у нас появятся роботы, которые будут ходить, подражая нам во многих отношениях — двигаясь, как мы, и думая, как мы. Они смогут выполнять часть работы, ранее доступной только людям.

Очевидно, что мы увидим развитие как робототехники, так и нейробиологии, и эти области продолжат сближаться. Это не только открывает новые возможности, но и порождает новые этические вопросы: например, как мы должны относиться к роботам-андроидам или людям-киборгам?

И все же до сих пор люди во многих отношениях лучше роботов. Наши мышцы самые экономные: съешьте бутерброд, и вам хватит энергии на целый день,а у робота через полчаса сядет батарея. И хотя он может быть намного мощнее человека, он часто, например, слишком тяжелый. Когда речь идет об элегантности и оптимизации энергоемкости, до сих пор человек все еще превосходит робота.

Не за горами будущее, когда это изменится, ведь десятки тысяч талантливых ученых и инженеров работают над этой целью.

Источник

Перевод: Надя Огаркова.
Редактура: Мария Беликова.
Дизайн: Алиса Панченко.

Источник: zen.yandex.ru

Комментарии: