Bagaimana robot modern dikembangkan:'Cyborg manusia akan menjadi biasa'

Saat ini, ilmu saraf dan robotika berkembang seiring. Mikhail Lebedev, pengawas akademik di Pusat Antarmuka Bioelektrik Universitas HSE, berbicara tentang bagaimana mempelajari otak menginspirasi pengembangan robot.

Robot menarik bagi ilmu saraf dan ilmu saraf menarik bagi robot – inilah artikel tentang “Tantangan teknik saraf dari menggabungkan robotika dan ilmu saraf” dalam jurnal Science Robotics .

Pengembangan kolaboratif semacam itu berkontribusi pada kemajuan di kedua bidang, membawa kita lebih dekat untuk mengembangkan robot android yang lebih maju dan pemahaman yang lebih dalam tentang struktur otak manusia. Dan, sampai batas tertentu, menggabungkan organisme biologis dengan mesin, untuk menciptakan organisme sibernetik (cyborg).

Sains Saraf untuk Robot

Robot sering menyerupai manusia dalam riasan mereka. Hal ini berlaku untuk robot yang dimaksudkan untuk meniru tindakan dan perilaku manusia – ilmu saraf kurang penting bagi mesin industri.

Hal yang paling jelas untuk digunakan dalam desain robot adalah membuatnya terlihat seperti manusia. Robot sering kali memiliki dua lengan, dua kaki dan kepala, bahkan jika tidak diperlukan dari sudut pandang teknik. Ini sangat penting saat robot akan berinteraksi dengan orang – mesin yang mirip dengan kita lebih mudah dipercaya.

Dimungkinkan untuk memastikan bahwa tidak hanya penampilan, tetapi juga "otak" robot menyerupai manusia. Dalam mengembangkan mekanisme persepsi, pemrosesan informasi, dan kontrol, para insinyur terinspirasi oleh struktur sistem saraf manusia.

Misalnya, mata robot – kamera TV yang dapat bergerak pada sumbu yang berbeda – meniru sistem visual manusia. Berdasarkan pengetahuan tentang bagaimana penglihatan manusia terstruktur dan bagaimana sinyal visual diproses, para insinyur merancang sensor robot sesuai dengan prinsip yang sama. Dengan cara ini robot dapat diberkahi dengan kemampuan manusia untuk melihat dunia dalam tiga dimensi, misalnya.

Manusia memiliki refleks vestibulo-okular:mata menerapkan stabilisasi menggunakan informasi vestibular saat kita bergerak, memungkinkan kita untuk menjaga stabilitas gambar yang kita lihat.

Mungkin juga ada sensor akselerasi dan orientasi pada tubuh robot. Ini membantu robot memperhitungkan gerakan tubuh untuk menstabilkan persepsi visual tentang dunia luar dan meningkatkan kelincahan.

Selain itu, robot dapat merasakan sentuhan seperti halnya manusia – robot dapat memiliki kulit, dapat merasakan sentuhan. Dan kemudian ia tidak hanya bergerak secara acak di ruang angkasa:jika ia menyentuh rintangan, ia merasakannya dan bereaksi seperti yang dilakukan manusia. Ia juga dapat menggunakan informasi taktil buatan ini untuk menggenggam objek.

Robot bahkan dapat mensimulasikan sensasi rasa sakit:beberapa bentuk kontak fisik terasa normal dan beberapa menyebabkan rasa sakit, yang secara drastis mengubah perilaku robot. Ia mulai menghindari rasa sakit dan mengembangkan pola perilaku baru, yaitu belajar – seperti anak kecil yang terbakar oleh sesuatu yang panas untuk pertama kalinya.

Tidak hanya sistem sensorik, tetapi juga kontrol tubuh robot dapat dirancang secara analog dengan manusia. Pada manusia, berjalan dikendalikan oleh apa yang disebut generator ritme sentral – sel saraf khusus yang dirancang untuk mengontrol aktivitas motorik otonom. Ada robot di mana ide yang sama digunakan untuk mengontrol berjalan.

Selain itu, robot dapat belajar dari manusia. Robot dapat melakukan tindakan dengan cara yang tak terbatas, tetapi jika ingin meniru manusia, ia harus mengamati manusia dan mencoba mengulangi gerakannya. Ketika membuat kesalahan, ia membandingkan dirinya dengan bagaimana manusia melakukan tindakan yang sama.

Robot untuk Ilmu Saraf

Bagaimana ilmu saraf bisa menggunakan robot? Ketika kita membangun model sistem biologis, kita mulai lebih memahami prinsip-prinsip kerjanya. Oleh karena itu, mengembangkan model mekanik dan komputer dari kontrol gerakan sistem saraf manusia membawa kita lebih dekat untuk memahami fungsi neurologis dan biomekanik.

Dan bidang yang paling menjanjikan dalam menggunakan robot dalam ilmu saraf modern adalah dalam merancang antarmuka saraf – sistem untuk mengendalikan perangkat eksternal menggunakan sinyal otak. Neurointerfaces diperlukan untuk pengembangan neuroprostheses (misalnya, lengan buatan untuk orang yang kehilangan anggota tubuh) dan exoskeletons – kerangka atau kerangka eksternal bagi tubuh manusia untuk meningkatkan kekuatannya atau memulihkan kemampuan motorik yang hilang.

Robot dapat berinteraksi dengan sistem saraf melalui antarmuka dua arah:sistem saraf dapat mengirim sinyal perintah ke robot, dan robot dari sensornya dapat mengembalikan informasi sensorik ke manusia, menyebabkan sensasi nyata dengan merangsang saraf, ujung saraf di kulit, atau korteks sensorik itu sendiri.

Mekanisme umpan balik tersebut memungkinkan untuk mengembalikan sensasi anggota badan jika telah hilang. Mereka juga diperlukan untuk gerakan anggota tubuh robot yang lebih tepat, karena berdasarkan informasi sensorik yang diterima dari lengan dan kaki, kita mengoreksi gerakan kita.

Ada pertanyaan menarik yang muncul di sini:Haruskah kita mengontrol semua derajat kebebasan robot melalui antarmuka saraf? Dengan kata lain, bagaimana kita harus mengirim perintah khusus ke sana?

Sebagai contoh, kita dapat "memerintahkan" lengan robot untuk mengambil sebotol air, dan ia akan melakukan operasi tertentu:ia akan menurunkan lengannya, memutarnya, dan melepaskan dan mengepalkan jari-jari tangannya – semuanya dengan sendirinya.

Pendekatan ini disebut kontrol gabungan – kami memberikan perintah sederhana melalui antarmuka saraf, dan pengontrol khusus di dalam robot memilih strategi terbaik untuk implementasi.

Atau kita dapat membuat mekanisme yang tidak akan memahami perintah 'ambil botol':ia perlu mengirimkan informasi tentang gerakan yang spesifik dan terperinci.

Studi Saat Ini

Ahli saraf dan ilmuwan robot mempelajari berbagai aspek operasi otak dan perangkat robot. Misalnya, di Duke University saya melakukan eksperimen dengan antarmuka saraf pada monyet, karena antarmuka harus terhubung langsung ke area otak agar dapat bekerja secara akurat dan intervensi eksperimental semacam itu tidak selalu mungkin dilakukan pada manusia.

Dalam salah satu penelitian saya, seekor monyet berjalan di sepanjang jalan dan aktivitas korteks motoriknya, yang bertanggung jawab atas gerakan kaki, dibaca dan memicu robot untuk mulai berjalan. Pada saat yang sama, monyet mengamati robot berjalan ini pada layar yang diletakkan di depannya.

Monyet itu menggunakan umpan balik, jadi ia mengoreksi gerakannya berdasarkan apa yang dilihatnya di layar. Ini adalah bagaimana antarmuka saraf yang paling efektif untuk mengimplementasikan jalan kaki dikembangkan.

Masa Depan Sibernetik

Penelitian semacam itu membawa kita pada perkembangan inovatif di masa depan. Misalnya, membuat kerangka luar untuk memulihkan pergerakan orang yang lumpuh total tidak lagi tampak seperti fantasi yang tidak mungkin tercapai – hanya butuh waktu.

Kemajuan mungkin terhambat oleh kurangnya kekuatan komputer, tetapi perkembangan selama sepuluh tahun terakhir juga sangat pesat di sini. Kemungkinan kita akan segera melihat orang-orang di sekitar kita menggunakan kerangka luar yang ringan dan nyaman daripada kursi roda atau kereta bayi untuk bepergian.

Cyborg manusia akan menjadi hal biasa.

Pengembangan komersial dari sistem semacam itu terjadi di seluruh dunia, termasuk di Rusia. Misalnya, proyek ExoAtlet yang terkenal sedang mengembangkan kerangka luar untuk rehabilitasi penyandang disabilitas motorik.

Pusat HSE untuk Antarmuka Bioelektrik berpartisipasi dalam pengembangan algoritme untuk mesin ini:Kepala Pusat, Profesor Alexey Ossadtchi, dan mahasiswa doktoralnya mengembangkan antarmuka saraf yang memicu gerakan berjalan dari kerangka luar.

Pesatnya perkembangan robot humanoid juga menjadi kenyataan. Kemungkinan besar kita akan segera memiliki robot yang berjalan-jalan meniru kita dalam banyak hal – bergerak seperti kita dan berpikir seperti kita. Mereka akan dapat melakukan beberapa pekerjaan yang sebelumnya hanya tersedia untuk manusia.

Jelas, kita akan melihat perkembangan robotika dan ilmu saraf, dan bidang-bidang ini akan bertemu. Ini tidak hanya membuka peluang baru, tetapi juga menimbulkan pertanyaan etis baru, seperti bagaimana kita harus memperlakukan robot android atau cyborg manusia.

Namun, sejauh ini, manusia lebih baik daripada robot dalam banyak hal. Otot kita adalah yang paling ekonomis:makan sandwich dan Anda akan memiliki energi yang cukup untuk sepanjang hari. Baterai robot akan habis dalam waktu setengah jam.

Dan meskipun mungkin jauh lebih kuat daripada manusia, seringkali terlalu berat. Dalam hal keanggunan dan optimalisasi kapasitas energi – sejauh ini, manusia masih lebih unggul daripada robot.

Tidak lama lagi hal ini akan berubah – ada puluhan ribu ilmuwan dan insinyur berbakat yang bekerja untuk mencapai tujuan ini.

Dari situs web mitra kami, Berita Sains dan Teknologi