Cómo se desarrollan los robots modernos:"Los cyborgs humanos se convertirán en algo común"

Hoy en día, la neurociencia y la robótica se desarrollan de la mano. Mikhail Lebedev, supervisor académico del Centro de Interfaces Bioeléctricas de la Universidad HSE, habló sobre cómo el estudio del cerebro inspira el desarrollo de robots.

Los robots son interesantes para la neurociencia y la neurociencia es interesante para los robots:de esto trata el artículo "Retos de la neuroingeniería al fusionar la robótica y la neurociencia" en la revista Science Robotics .

Tal desarrollo colaborativo contribuye al progreso en ambos campos, acercándonos al desarrollo de robots androides más avanzados y una comprensión más profunda de la estructura del cerebro humano. Y, en cierta medida, a combinar organismos biológicos con máquinas, para crear organismos cibernéticos (cyborgs).

Neurociencia para Robots

Los robots a menudo se parecen a los humanos en su composición. Esto es cierto para los robots destinados a imitar las acciones y el comportamiento humanos; la neurociencia es menos importante para las máquinas industriales.

Lo más obvio para usar en el diseño de un robot es hacer que parezca humano. Los robots suelen tener dos brazos, dos piernas y una cabeza, aunque no sea necesario desde el punto de vista de la ingeniería. Esto es especialmente importante cuando el robot interactuará con las personas:es más fácil confiar en una máquina que se parece a nosotros.

Es posible asegurar que no solo la apariencia, sino también el "cerebro" del robot se parezca al de un humano. Al desarrollar los mecanismos de percepción, procesamiento de información y control, los ingenieros se inspiran en la estructura del sistema nervioso humano.

Por ejemplo, los ojos de un robot, cámaras de televisión que pueden moverse en diferentes ejes, imitan el sistema visual humano. Basándose en el conocimiento de cómo se estructura la visión humana y cómo se procesa la señal visual, los ingenieros diseñan los sensores del robot de acuerdo con los mismos principios. De esta forma se puede dotar al robot de la capacidad humana de ver el mundo en tres dimensiones, por ejemplo.

Los humanos tenemos un reflejo vestíbulo-ocular:los ojos aplican estabilización utilizando información vestibular cuando nos movemos, lo que nos permite mantener la estabilidad de la imagen que vemos.

También puede haber sensores de aceleración y orientación en el cuerpo de un robot. Estos ayudan al robot a tener en cuenta los movimientos del cuerpo para estabilizar la percepción visual del mundo exterior y mejorar la agilidad.

Además, un robot puede experimentar el sentido del tacto como un ser humano:un robot puede tener piel, puede sentirse tocado. Y luego no solo se mueve al azar en el espacio:si toca un obstáculo, lo siente y reacciona como lo hace un ser humano. También puede usar esta información táctil artificial para agarrar objetos.

Los robots pueden incluso simular sensaciones de dolor:algunas formas de contacto físico se sienten normales y otras causan dolor, lo que cambia drásticamente el comportamiento del robot. Comienza a evitar el dolor y a desarrollar nuevos patrones de comportamiento, es decir, aprende, como un niño que ha sido quemado por algo caliente por primera vez.

No solo los sistemas sensoriales, sino también el control del cuerpo de un robot pueden diseñarse de manera análoga a la de los humanos. En los humanos, caminar está controlado por los llamados generadores de ritmo central:células nerviosas especializadas diseñadas para controlar la actividad motora autónoma. Hay robots en los que se utiliza la misma idea para controlar la marcha.

Además, los robots pueden aprender de los humanos. Un robot puede realizar acciones de infinidad de formas, pero si quiere imitar a un humano, debe observar al humano e intentar repetir sus movimientos. Cuando comete errores, se compara con la forma en que un humano realiza la misma acción.

Robots para Neurociencia

¿Cómo puede la neurociencia usar robots? Cuando construimos un modelo de un sistema biológico, comenzamos a comprender mejor los principios por los que funciona. Por lo tanto, el desarrollo de modelos mecánicos e informáticos del control del movimiento del sistema nervioso humano nos acerca a la comprensión de las funciones neurológicas y la biomecánica.

Y el área más prometedora del uso de robots en la neurociencia moderna es el diseño de interfaces neuronales:sistemas para controlar dispositivos externos que utilizan señales cerebrales. Las interfaces neuronales son necesarias para el desarrollo de neuroprótesis (por ejemplo, un brazo artificial para personas que han perdido una extremidad) y exoesqueletos:armazones o esqueletos externos para que un cuerpo humano aumente su fuerza o recupere la capacidad motora perdida.

Un robot puede interactuar con el sistema nervioso a través de una interfaz bidireccional:el sistema nervioso puede enviar una señal de comando al robot, y el robot de sus sensores puede devolver información sensorial al ser humano, provocando sensaciones reales al estimular los nervios, las terminaciones nerviosas. en la piel, o en la propia corteza sensorial.

Dichos mecanismos de retroalimentación permiten restaurar la sensación de una extremidad si se ha perdido. También son necesarios para movimientos más precisos de la extremidad robótica, ya que es en base a la información sensorial recibida de los brazos y piernas que corregimos nuestros movimientos.

Aquí surge una pregunta interesante:¿Deberíamos controlar todos los grados de libertad del robot a través de una interfaz neuronal? En otras palabras, ¿cómo debemos enviarle comandos específicos?

Por ejemplo, podemos "ordenar" al brazo robótico que recoja una botella de agua, y realizará operaciones específicas:bajará el brazo, lo girará y aflojará y apretará los dedos de su mano, todo por sí solo.

Este enfoque se denomina control combinado:proporcionamos comandos simples a través de una interfaz neuronal y un controlador especial dentro del robot selecciona la mejor estrategia para su implementación.

O podemos crear un mecanismo que no entienda el comando 'tomar la botella':debe enviarse información sobre movimientos específicos y detallados.

Estudios Actuales

Los neurocientíficos y los científicos robóticos estudian varios aspectos del funcionamiento del cerebro y los dispositivos robóticos. Por ejemplo, en la Universidad de Duke realicé experimentos con interfaces neuronales en monos, ya que las interfaces deben conectarse directamente a las áreas del cerebro para que funcionen con precisión y no siempre es posible realizar tales intervenciones experimentales en humanos.

En uno de mis estudios, un mono caminó por un sendero y se leyó la actividad de su corteza motora, que es responsable del movimiento de las piernas, y se activó un robot para que comenzara a caminar. Al mismo tiempo, el mono observó este robot andante en una pantalla colocada frente a él.

El mono usó retroalimentación, por lo que corrigió sus movimientos en función de lo que vio en la pantalla. Así es como se desarrollan las interfaces neuronales más efectivas para implementar el caminar.

El futuro cibernético

Dicha investigación nos lleva a desarrollos innovadores en el futuro. Por ejemplo, crear un exoesqueleto para restaurar los movimientos de personas completamente paralizadas ya no parece una fantasía inalcanzable, solo lleva tiempo.

El progreso puede verse frenado por la falta de potencia informática, pero el desarrollo durante los últimos diez años también ha sido enorme aquí. Es probable que pronto veamos personas a nuestro alrededor usando exoesqueletos ligeros y cómodos en lugar de sillas de ruedas o cochecitos para moverse.

Los cyborgs humanos se volverán comunes.

El desarrollo comercial de estos sistemas se está produciendo en todo el mundo, incluso en Rusia. Por ejemplo, el famoso proyecto ExoAtlet está desarrollando exoesqueletos para la rehabilitación de personas con discapacidad motora.

El Centro HSE para Interfaces Bioeléctricas participó en el desarrollo de algoritmos para estas máquinas:el Director del Centro, el Profesor Alexey Ossadtchi, y sus estudiantes de doctorado desarrollaron una neurointerfaz que activa los movimientos de caminar del exoesqueleto.

El rápido desarrollo de los robots humanoides también se está convirtiendo en una realidad. Es probable que pronto tengamos robots caminando imitándonos en muchos aspectos, moviéndose como nosotros y pensando como nosotros. Podrán hacer parte del trabajo que anteriormente solo estaba disponible para los humanos.

Obviamente, veremos el desarrollo tanto de la robótica como de la neurociencia, y estos campos convergerán. Esto no solo abre nuevas oportunidades, sino que también crea nuevas cuestiones éticas, como por ejemplo, cómo debemos tratar a los robots androides o a los cyborgs humanos.

Y, sin embargo, hasta ahora, los humanos son mejores que los robots en muchos aspectos. Nuestros músculos son los más económicos:cómete un bocadillo y tendrás energía suficiente para todo el día. El robot tendrá la batería descargada en media hora.

Y aunque puede ser mucho más poderoso que un humano, a menudo es demasiado pesado. Cuando se trata de optimización de la capacidad energética y la elegancia, hasta ahora, un ser humano sigue siendo superior a un robot.

No falta mucho para que esto cambie:hay decenas de miles de científicos e ingenieros talentosos trabajando para lograr este objetivo.

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