El futuro de la robótica: Cómo se crean los robots modernos y por qué los cyborgs humanos se están volviendo comunes

Hoy, la neurociencia y la robótica se desarrollan de la mano. Mikhail Lebedev, supervisor académico en el 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 —esto es de lo que trataba el artículo "Neuroengineering challenges of fusing robotics and neuroscience" en la revista Science Robotics.

Tal desarrollo colaborativo contribuye al progreso en ambos campos, acercándonos a desarrollar 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 robots destinados a imitar acciones y comportamiento humanos —la neurociencia es menos importante para máquinas industriales.

Lo más obvio para usar en el diseño de un robot es hacerlo parecer humano. Los robots a menudo tienen dos brazos, dos piernas y una cabeza, incluso si no es necesario desde un punto de vista de ingeniería. Esto es especialmente importante cuando el robot interactuará con personas —una máquina que se parece a nosotros es más fácil de confiar.

Es posible asegurar que no solo la apariencia, sino también el "cerebro" del robot se asemeje al de un humano. En el desarrollo de mecanismos para 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 TV que pueden moverse en diferentes ejes— imitan el sistema visual humano. Basándose en el conocimiento de cómo está estructurada la visión humana y cómo se procesa la señal visual, los ingenieros diseñan los sensores del robot según los mismos principios. De esta forma, el robot puede ser dotado con la capacidad humana de ver el mundo en tres dimensiones, por ejemplo.

Los humanos tienen un reflejo vestíbulo-ocular: los ojos aplican estabilización usando información vestibular cuando nos movemos, permitiéndonos 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 igual que un humano —un robot puede tener piel, puede sentir el tacto. Y entonces no solo se mueve aleatoriamente en el espacio: si toca un obstáculo, lo detecta y reacciona igual que un 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. Empieza a evitar el dolor y desarrollar nuevos patrones de comportamiento, es decir, aprende —como un niño que se ha quemado con algo caliente por primera vez.

No solo los sistemas sensoriales, sino también el control del cuerpo de un robot puede diseñarse análogamente al de los humanos. En humanos, caminar es controlado por los llamados generadores centrales de ritmo —células nerviosas especializadas diseñadas para controlar actividad motora autónoma. Hay robots en los que la misma idea se usa para controlar el caminar.

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

Robots para neurociencia

¿Cómo puede la neurociencia usar robots? Cuando construimos un modelo de un sistema biológico, empezamos a entender mejor los principios por los que funciona. Por tanto, desarrollar modelos mecánicos y computacionales de control de movimiento del sistema nervioso humano nos acerca a entender funciones neurológicas y biomecánica.

Y el área más prometedora de uso de robots en neurociencia moderna es el diseño de neurointerfaces —sistemas para controlar dispositivos externos usando señales cerebrales. Las neurointerfaces son necesarias para el desarrollo de neuroprótesis (por ejemplo, un brazo artificial para personas que han perdido una extremidad) y exoesqueletos —marcos o esqueletos externos para un cuerpo humano para aumentar su fuerza o restaurar 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 desde sus sensores puede devolver información sensorial al humano, causando sensaciones reales estimulando nervios, terminaciones nerviosas en la piel, o la propia corteza sensorial.

Tales mecanismos de retroalimentación hacen posible restaurar la sensación de una extremidad si se ha perdido. También son necesarios para movimientos más precisos de la extremidad robótica, ya que es sobre la base de información sensorial recibida de brazos y piernas que corregimos nuestros movimientos.

Surge una pregunta interesante aquí: ¿Deberíamos controlar todos los grados de libertad del robot a través de una interfaz neural? En otras palabras, ¿cómo deberíamos enviar comandos específicos a él?

Por ejemplo, podemos "ordenar" al brazo robótico que coja una botella de agua, y realizará operaciones específicas: bajará su brazo, lo girará, y abrirá y cerrará los dedos de su mano —todo por sí solo.

Este enfoque se llama control combinado —damos comandos simples a través de una interfaz neural, y un controlador especial dentro del robot selecciona la mejor estrategia para la implementación.

O podemos crear un mecanismo que no entienda el comando "coge la botella": necesita que se le envíe información sobre movimientos específicos y detallados.

Estudios actuales

Neurocientíficos y científicos robóticos estudian varios aspectos de operación cerebral y dispositivos robóticos. Por ejemplo, en la Universidad Duke realicé experimentos con interfaces neurales en monos, ya que las interfaces necesitan conectarse directamente a áreas cerebrales para funcionar con precisión y tales intervenciones experimentales no siempre son posibles en humanos.

En uno de mis estudios, un mono caminaba por un camino y la actividad de su corteza motora, responsable del movimiento de piernas, se leía y disparaba un robot para empezar a caminar. Al mismo tiempo, el mono observaba este robot caminando en una pantalla colocada frente a él.

El mono usaba retroalimentación, así que corregía sus movimientos basándose en lo que veía en la pantalla. Así es como se desarrollan las interfaces neurales más efectivas para implementar el caminar.

El futuro cibernético

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

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

Los cyborgs humanos se volverán comunes.

El desarrollo comercial de tales sistemas está teniendo lugar en todo el mundo, incluyendo Rusia. Por ejemplo, el famoso proyecto ExoAtlet está desarrollando exoesqueletos para rehabilitación de personas con discapacidades motrices.

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

El rápido desarrollo de robots humanoides también se está volviendo realidad. Es probable que pronto tengamos robots caminando imitándonos en muchos aspectos —moviéndose como nosotros y pensando como nosotros. Podrán hacer parte del trabajo previamente disponible solo para humanos.

Obviamente, veremos el desarrollo de tanto robótica como neurociencia, y estos campos convergerán. Esto no solo abre nuevas oportunidades, sino que también crea nuevas preguntas éticas, como cómo deberíamos tratar robots androides o cyborgs humanos.

Y sin embargo, hasta ahora, los humanos somos mejores que los robots en muchas formas. Nuestros músculos son los más económicos: come un sándwich y tendrás energía para todo el día. El robot tendrá la batería plana en media hora.

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

No está lejos el futuro cuando esto cambie —hay decenas de miles de científicos e ingenieros talentosos trabajando hacia este objetivo.

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