Школьники программы «Большие вызовы» узнали, почему современные роботы не могут тягаться даже с инфузориями, можно ли создать искусственную кожу и мышцы и зачем киборгам лекарства. Лекцию прочитал Вячеслав Демин, кандидат физико-математических наук, заместитель главного ученого секретаря Курчатовского института.
Одна из глобальных проблем современности – бесконтрольное потребление ресурсов. Если в природе их оборот сбалансирован, то созданные нами технологии позволяют только потреблять, ничего не возвращая взамен. Возможный выход – использовать природоподобные технологии, которые воспроизводят принципы работы живых систем в технических устройствах, встраиваемых в естественный природный ресурсооборот.
«Формированию природоподобной техносферы препятствуют, как ни странно, данные. Их много, и они очень разные. Но обработать их, а главное, осмыслить результаты пока невозможно даже с помощью искусственного интеллекта. Сейчас интеллектуальные алгоритмы не обладают даже подобием сознания, и мы не можем во всех поведенческих и физиологических деталях смоделировать ни поведение одноклеточной инфузории, ни интеллект простого червя с нервной системой из 308 нейронов. Разумные решения все еще принимает человек. Чтобы наделить этой способностью искусственный интеллект, его нужно объединить с человеческим разумом», – утверждает Вячеслав Демин.
Эксперт выделяет 5 ключевых компонентов для создания биоподобной робототехнической системы.
1. Конструкция
На этом этапе нужно определить общий облик и эргономику, разработать нейроинтерфейс для управления системой и взаимодействия с человеком. Например, в Курчатовском институте работают над созданием систем групповой и социальной робототехники, человекоподобных роботов – водителя, спасателя и ассистента, а также роботов в виде животных, в частности, рыбы.
2. Работа мозга
Для создания искусственного мозга важно изучить принципы обработки, хранения информации и принятия решений мозгом человека. Фактически, мы должны понять, как и куда движутся потоки электрохимических сигналов, и в итоге визуализировать мысль. Мы должны определить, в каких участках мозга локализованы или ко-локализованы те или иные идеи, образы и ассоциации. С помощью магнитно-резонансной томографии можно отобразить происходящие в мозге процессы, связь его участков друг с другом и их взаимное влияние – по крайней мере частично. Только получив нужные данные с хорошим пространственным разрешением, можно перейти к их обработке силами искусственного интеллекта.
С другой стороны, важно, используя полученные знания о работе мозга, создавать сверхэнергоэффективные и производительные нейроморфные вычислительные системы – процессоры, которые имитируют работу биологической нервной системы и ускоряют существующие и разрабатываемые перспективные алгоритмы на основе нейросетей.
3. Ткани
Для биоподобной системы подбирают искусственные материалы, которые войдут в состав каркаса устройства, в том числе для искусственных мышц и жизненно важных органов.
- Нанокомпозитные материалы – полимеры с частицами наполнителя (нанотрубки, наноалмазы, слоистые структуры). Меняя количество и размер частиц, можно влиять на свойства материала: прочность, светопоглощение, чувствительность к веществам.
- Распределенные сенсорные системы – например, искусственная кожа в виде подложки с проводами. Такая кожа не только воспринимает раздражители, но и позволяет следить за состоянием здоровья, ускорить реабилитацию.
- Регенеративные материалы – искусственная ткань в виде клеток человека, выращиваемых на полимерном матриксе. Она не отторгается организмом при пересадке и может применяться для тестирования лекарств. Мы уже умеем выращивать искусственные трахеи, желчные протоки, сосуды.
- Тело или органы на чипе – микрофлюидные системы на подложке, по микроканалам которых движутся клетки. Такие системы, опять же, позволяют тестировать лекарства, не прибегая к опытам на животных, а также создавать персонифицированные модели тканей и органов конкретного пациента.
Меняющие цвет и прозрачность, самоочищающиеся, самозалечивающиеся материалы.
Энергообеспечение
Энергию можно получить за счет встраиваемых биотопливных элементов, преобразующих химическую энергию метаболизма клеток в электричество. Сегодня они разрабатываются для питания маломощной электроники, такой как кардиостимуляторы, нейроимпланты, средства диагностики в реальном времени. Среди них есть топливные элементы, работающие на глюкозе, – их можно размещать прямо в просвете крупных сосудов. Также выделяют микробные топливные элементы. Они содержат бактерии, которые могут извлечь энергию из органических отходов и передать ее на вход системы электропитания сенсорных устройств. Такие биотопливные элементы могут найти широкое применение в природоподобных технологиях умного города.
Иммунитет
Живые ткани в составе биогибридных систем по-прежнему подвержены инфекционным заболеваниям. Особенно это актуально для человека с имплантируемыми и протезирующими устройствами. Для защиты организма требуется разработка качественно новых средств, в том числе лекарства в наноразмерной форме из биосовместимых или биодеградируемых материалов, с возможностями адресной доставки в целевые органы и ткани.
«Менять существующие технологии необходимо, чтобы восстановить баланс между природой и техногенной цивилизацией. Мы должны стремиться к природоподобной техносфере, в которой главным фактором станет разумная деятельность человека, а технологии будут интегрированы в естественный ресурсооборот. Объединив достижения информационных, нано- и биотехнологий, а также когнитивных и социогуманитарных наук, мы сможем разработать природоподобные устройства, которые приблизят нас к созданию такой техносферы», – заключил Вячеслав Демин.
Текст: Алиса Горбачева, университет ИТМО
