Аватар. Фантазии становятся реальностью

Количество исследований, способных превратить в реальность события известного фильма «Аватар» Джеймса Камерона, растет с каждым днем и приносит конкретные результаты. О некоторых из них говорят не только фантасты и мечтатели, но уже и ответственные политики и руководители. Например, заместитель председателя правительства России Дмитрий Рогозин в интервью одному из отечественных телеканалов назвал проект создания аватара в числе других, реализуемых Фондом перспективных исследований.

Аватар – это совокупность компонентов, симбиоз человеческого мозга и машины (исполнительного механизма), сформированный на основе нейроинтерфейса. В результате такой интеграции человечество может получить возможность управлять машиной и вообще любым исполнительным механизмом с помощью мысли. Но это не просто управление роботом на расстоянии, которое было реализовано в далекие годы, например в проекте советского лунохода. Человек, направляющий робота-аватара, должен иметь полномасштабную обратную связь: видеть то, что видит управляемый им объект, слышать, ощущать, обонять все то, что находится вокруг. Вдыхаемый объектом воздух должен быть виртуально вдыхаем человеком-оператором. То есть аватар – это полноценное «Я» на расстоянии. Все, что происходит, должно передаваться оператору настолько достоверно, чтобы он чувствовал себя находящимся там, где исполнительный механизм. В общем, все то, что показано в нашумевшем голливудском 3D-фильме. Грани между фантастическим боевиком и производственной драмой уже стираются.

Киборги

Остается только проанализировать, что именно дает возможность перейти от фантазий к реальному проектированию аватара, какие есть к тому предпосылки и какие сложности стоят на пути, какой научно-технический задел уже имеется в этой области. Безусловным достижением является создание многочисленных типов роботов, которые все в большей степени приобретают способность не только выполнять запрограммированные ранее действия, но и оценивать обстановку, принимать самостоятельные решения. То есть когнитивные способности робототехнических комплексов (РТК) постепенно и последовательно приближаются к способностям человека. Здесь можно привести многочисленные примеры, но об этих достижениях написано уже достаточно много и повторяться вряд ли есть смысл.

“ Научно-технические достижения, накопленные за последние 50 лет, в сумме уже позволяют заменить 60–70% функций человеческого тела ”

Важно отметить, что почувствовав перспективность подобного рода исследований, многие компании стали собирать вокруг себя всех тех, кто имеет более или менее значительные наработки в рассматриваемой области. Например, Google в 2013-м за полгода приобрела восемь робототехнических компаний, среди которых Boston Dynamics, японская Shaft – победитель одного из конкурсов на создание РТК, организованных в 2013 году DARPA (речь идет о конкурсе по проекту Robotics Challenge Trials – роботу, способному проходить полосу препятствий, имитирующую зону бедствия). Мало того, в том же году интернет-гигант занялся поиском бессмертия, основав биотехнологическую компанию Calico (California Life Company).

Важным шагом на пути создания аватара является решение проблемы, связанной с тактильной чувствительностью (обратной связью) механических органов РТК. Одно из последних достижений в этой области – бионический протез, разработанный объединенной командой специалистов из Cleveland Veterans Affairs Medical Center и Case Western Reserve University. Разработчики оснастили протез двадцатью датчиками и подключили его сенсоры напрямую к соответствующим нервным окончаниям оставшейся части конечности. Таким образом человек даже с закрытыми глазами может понять, какой предмет он держит. Новая технология решит множество бытовых проблем, например позволит брать и держать хрупкие предметы без опасений раздавить их.

Исследователи из медицинского центра университета Дьюка (США) научили обезьян с помощью нейроинтерфейса управлять сразу двумя виртуальными руками. Для этого пришлось одновременно регистрировать активность почти 500 нейронов в обоих полушариях головного мозга. Это настоящий прорыв в развитии интерфейсов «мозг – машина», поскольку будущие мозговые имплантаты, направленные на восстановление подвижности у людей, должны обеспечивать управление несколькими конечностями.

Команда из Национального университета Сингапура (NUS) представила свою новую разработку – сверхсильную и эластичную искусственную мышцу, которая может поднимать вес в 80 раз больше собственного. В ближайшие три – пять лет планируется создать робототехническую руку с использованием искусственных мышц, которая будет практически неотличима от настоящей, но при этом в десятки раз сильнее.

Европейский союз начал реализацию Human Brain Project, десятилетнего глобального проекта, цель которого – понять устройство и принципы работы головного мозга человека. В настоящее время Human Brain Project считается самой масштабной в истории науки программой, осуществляемой в нейробиологии, нейроинформатике и других областях, которые изучают мозг человека. По инициативе президента США появился крупный проект по исследованию мозга – BRAIN, в рамках которого планируется создать технологии, позволяющие изучить функционирование клеток и нейронов мозга, что поможет понять природу таких заболеваний, как эпилепсия, синдром Альцгеймера и аутизм. Оба проекта приближают человечество не только к выяснению принципов работы головного мозга человека, но и к пониманию того, что такое сознание, личность, самоидентификация.

Примечание Владимира Зыкова. Представил себе стадо европейских роботов на гей-параде :) А ведь у них ничего другого и не получится! У кого что болит...

В Калифорнийском университете в Беркли разработан новый универсальный интерфейс «мозг – компьютер». Из-за малых размеров он получил название нейропыль. Это одновременно способ более точного управления любой электроникой с помощью силы мысли и новый диагностический метод с высочайшей точностью.

Устройство под названием Argus II создано калифорнийской компанией Second Sight Medical Products. Оно показано к использованию при дегенеративном изменении сетчатки, обусловленном наследственным заболеванием – пигментным ретинитом (Retinitis Pigmentosa). Устройство состоит из специальных очков с видеокамерой и процессором, преобразующим зрительный сигнал в электрический импульс, поступающий по зрительному нерву в головной мозг.

Несмотря на то, что полностью восстановить зрение с помощью такого имплантата невозможно, он помогает незрячим людям в повседневной жизни, когда необходимо определить местонахождение предметов, их форму, прочитать крупные буквы. Это еще один весомый шаг в создании человекомашинных интерфейсов.

В настоящее время разрабатываются две принципиально разные схемы протезов сетчатки – для пациентов с уцелевшим зрительным нервом и для тех, кого одной лишь заменой светочувствительных элементов в глазах от слепоты не избавить. Первым успешно вживляют искусственную светочувствительную матрицу (как минимум одно устройство уже допущено на рынок), а вторым передают изображение с видеокамеры непосредственно к зрительной коре. Последнее, разумеется, требует не просто вживления USB-провода: специальный микрокомпьютер переводит сигнал с камеры на понятный нервным клеткам язык.

Камеру закрепляют на очках, компьютерный блок размещают в удобном месте (он имеет габариты мобильного телефона), а сигнал на электроды передают без проводов по радиоканалу. Устройство, работающее с нервными клетками напрямую, можно полностью убрать под кожу и тем самым минимизировать риск инфекции. Электродные матрицы насчитывают иногда больше сотни отдельных тонких проволочек, закрепленных на общей пластине. Вся конструкция немного напоминает игольчатый аппликатор-массажер, уменьшенный во много раз.

Ученые упомянутого Калифорнийского университета вместе со специалистами Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли представили еще одну инновационную разработку – электронные вибриссы. Это осязательные механочувствительные длинные жесткие волосы многих млекопитающих (например усы кошачьих), выступающие над поверхностью шерстного покрова. Они выполняют тактильную функцию, дополняя другие органы чувств вроде зрения и слуха.

Похожим образом работают электронные вибриссы. Они улавливают малейшие изменения давления, передавая информацию на обработку в электронную систему. При создании изделия использовались углеродные нанотрубки для формирования особой проводящей матрицы с хорошей гибкостью. Затем на нее была нанесена тончайшая пленка серебряных наночастиц, что позволило добиться очень высокой чувствительности к механическим воздействиям. В качестве структурного компонента электронные вибриссы используют эластичное волокно с низкой динамической жесткостью.

Разработчики сообщают, что их детище способно регистрировать давление всего в один паскаль. По сравнению с существующими емкостными и резистивными сенсорами чувствительность увеличена на порядок. Исследователям уже удалось получить при помощи своих датчиков высокоточную трехмерную карту движения воздушных потоков. Электронные вибриссы могут быть использованы в качестве органов чувств для роботов или в человекомашинных интерфейсах.

Работы по созданию протеза уха продвинулись еще дальше. Уже несколько лет назад в США систему из микрофона, микрокомпьютера и электродов, подключаемых к слуховым нервам, установили более чем 200 тысячам пациентов, то есть это не единичные лабораторные эксперименты, а стандартная клиническая практика.

Недавно был представлен разработанный командой ученых биоробот «Рекс», который обошелся в миллион долларов. Он почти на 70 процентов состоит из искусственных органов человеческого тела. В «Рексе» собраны все достижения лучших специалистов из самых разных областей науки. Есть искусственные уши, лицо, глаза, сердце, почки, селезенка, поджелудочная железа, трахея, руки и ноги. Особой гордостью ученых является искусственная кровь. Пусть пока все эти детали довольно несовершенны, но ведь первые компьютеры занимали огромные залы, а сейчас уменьшились до размеров очков.

В общем, наработки в области интерактивных органов чувств (зрение, осязание, слух), являющиеся необходимыми компонентами аватара, уже находятся в стадии практического применения.

Бессмертные

В прошлом году в Нью-Йорке прошла очередная международная конференция «Глобальное будущее». На них традиционно подводятся итоги создания научно-технического задела по проекту «Аватар». Его руководитель – российский предприниматель Дмитрий Ицков привлек известных ученых со всего мира. По его словам, в недалеком будущем предполагается создать искусственное тело, которое по своим функциональным качествам будет не хуже оригинала, а со временем и превзойдет его, а также разработать технологии переноса в него личности человека, обеспечив таким образом неограниченную продолжительность жизни. Иными словами, дать человечеству бессмертие. Назван даже предполагаемый срок реализации первого этапа – 2045 год.

Коллаж Андрея Седых

Проект «Аватар» сравнивают с самыми крупными в истории нашей цивилизации проектами по созданию атомной бомбы, полету первого человека в космос, полету на Луну. Можно и далее перечислять подобного рода достижения. Если резюмировать, то, по оценкам специалистов, научно-технические достижения, накопленные за последние 50 лет, в сумме уже позволяют заменить 60–70 процентов функций человеческого тела.

То есть две составляющие аватара в наличии есть – мозг человека и исполнительные механизмы, оснащенные органами чувств, настолько совершенными, что они способны передавать обратно от механизма человеку все ощущения, которые необходимы для оценки окружающей обстановки. Основным препятствием на пути создания полноценного биомеханического симбиоза двух составляющих является нейроинтерфейс, система прямой и обратной связи.

Попробуем подробнее рассмотреть эту систему. При создании современных нейрокомпьютерных интерфейсов возникает великое множество вопросов. Вот только некоторые из них: к какой из многих миллиардов клеток в моторной коре лучше подводить электроды для управления, скажем, протезом руки, как найти нужные клетки и обеспечить требуемую точность, защититься от помех, перевести последовательность нервных импульсов конкретной клетки в команды механизму?

Вслед за общими вопросами появляется огромное количество частных. Например, вводимые в мозг человека электроды довольно быстро обрастут слоем глиальных клеток, после чего снять с них сигнал затруднительно. Глиальные клетки – это своего рода защитная гвардия нейросреды. Все, что является или воспринимается инородным телом для нейронов, они пытаются блокировать. Создание необрастающих и притом безвредных микроэлектродов до сих пор – проблема, не имеющая окончательного решения. Идут эксперименты с электродами из нанотрубок, со специальными покрытиями, на животных уже показана принципиальная возможность заменить электрические импульсы световыми, модифицировав нейроны методами генной инженерии. Но говорить о полном решении проблемы пока рано.

Скажем, вживить электрод мыши можно, заменив половину черепа грызуна прозрачной пластиной. Естественно, человеку это не подходит. Ответа на подобный вызов до сих пор нет, поэтому многие физиологи приняли решение обойтись без проникновения в мозг и предпочли использовать электроды на его поверхности или вовсе на коже головы. Но и этот путь проблему не снял. Чем дальше электроды от клеток и чем их меньше, тем существеннее вклад в регистрируемый сигнал не только нужных ученым нейронов, но и их соседей. С тем же успехом можно пытаться изучить поведение одного муравья, наблюдая с расстояния за муравейником.

Неясно также со сроками – когда и как человечество научится делать подходящие электроды, начнет свободно перекодировать видео высокой четкости на язык нейронов, решит множество других проблем. Однако оптимисты напоминают, что полеты в воздухе, освоение космоса и морских глубин начинались с решения не меньшего количества проблем, соответствующих тогдашнему уровню знаний человечества. Не прошло и столетия с момента, когда первый самолет братьев Райт с трудом оторвался от земли, как эти вызовы в своей основе преодолены, хотя и не все. С учетом ускорения научно-технического прогресса можно ожидать, что создание аватара займет относительно немного времени. Хотя помимо технических и технологических проблем неизбежно возникнут и гуманитарные. Одно дело, если аватар станет исполнять волю человека, выполняя смертельно опасные задания – ликвидацию последствий радиационных аварий, спасательные работы и так далее. Но если аватар попадет в руки террористов, безответственных и откровенно преступных режимов, отдельных маньяков – это совсем другое. Другой сложнейший вопрос морали – допустимо ли человеку пытаться обойти законы природы, удлинить жизнь и даже попытаться получить бессмертие. Градус полемики наверняка будет выше, чем при решении вопросов клонирования. Любое достижение научно-технического прогресса может быть благом и злом, но остановить его нельзя. Остается надеяться, что человечество правильно распорядится собственными достижениями.

Василий Буренок,
доктор технических наук, профессор