Киберинжиниринг. "Железо" для сборки сверхчеловека

Несмотря на головокружительные успехи и достижения в области биоинжиниринга, о которых мы с Вами подробно поговорили в прошлой статье, тело человека все равно остается крайне хрупким и недолговечным материалом...

Поэтому учёные всего мира полным ходом ведут разработки, которые позволят не просто вернуть человеку утраченные части тела или поврежденные органы, а заменить их на более долговечные и функциональные материалы.

Оглавление статьи

1. Экзоскелеты и Бионические протезы ⏩
2. Сборка. Нанороботы в роли нейрохирургов ⏩
3. Нейроинтерфейсы вида "мозг-компьютер" ⏩
4. Вместо Заключения. Опасные игры военных ⏩

Эта статья представляет собой краткий обзор самых современных технологий в области создания элементов экзоскелета и программных нейроинтерфейсов вида "человек-машина".

Давайте вместе посмотрим, каких высот достигли люди в сфере "киборгостроения" и управления всем этим технологическим совершенством.

Экзоскелеты и бионические протезы

Еще недавно бионические протезы и экзоскелеты казались фантазией из кассового блокбастера.

Сегодня с использованием технологий солдаты становятся выносливее в пять раз, а люди, перенесшие инсульт, начинают играть в футбол и пробегают марафон.

Они работают за счет миодатчиков, которые считывают сигналы, возникающие при сокращении мышц, и приводят механизмы в действие.

Такие высокотехнологичные протезы изготавливают с помощью 3D-печати, и они уже вышли за пределы лабораторий - их выпускают серийно, однако из-за сложности "начинки" стоят они всё еще очень дорого: 30-50 тыс. долларов США.

Одними из первых протез с возможностью персонализации (привязке к особенностям выпустили британцы.

В 2015 году они представили протез с 24 различными видами хвата и специальное приложение к нему, с помощью которого пациент мог настроить под себя еще более десяти видов движений, их скорость и силу.

В 2016 году американские исследователи из Лаборатории функциональных нервных интерфейсов в Университете Кейс-Уэстерн показали новое видео испытания бионического протеза кисти, который позволяет человеку чувствовать, к чему он прикасается.

Пациент смог с высокой точностью управлять каждым пальцем отдельно и даже ощущать прикосновения, а мелкая моторика протеза стала сравнима с естественными возможностями человека.

Протез способен имитировать действие кожных рецепторов и определять структуру поверхности.

В 2016 году инженеры из Калифорнийского университета в Беркли создали первые в мире беспроводные микродатчики, которые можно имплантировать внутрь мышечной ткани и нервных волокон. Исследование опубликовано в Neuron Journal.

А разработчики из Корнельского университета (США) в этом же году создали электролюминесцентную кожу, которая растягивается до пяти раз от своего первоначального размера, что само по себе уже рекорд, и непрерывно излучает при этом свет. Научная статья опубликована на официальном сайте университета.

В 2017 году группа инженеров из Университета Джона Хопкинса успешно создали продвинутый прототип искусственной руки.

В будущем этот протез поможет полностью восстановить функцию рук пациентам, которые потеряли конечность в результате травмы или болезни.

В 2017 году исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали проводящие дорожки для гибких электронных схем, которые могут сгибаться и растягиваться в четыре раза относительно своего первоначального размера.

Принцип действия гибких проводов сильно походит на работу чувствительных нервных тканей человека. В основе лежит оптоволокно, внутри которого от периферии к центру расположено несколько десятков рядов электродов.

Благодаря этому устройство может реагировать на давление, прикосновение и даже на повреждение. Статья опубликована в издании Advance Materials.

Компания Ossur в 2018 году разработала протез ноги с электронным управлением, по сути самостоятельного робота, который с помощью сотен датчиков анализирует окружающую среду и особенности движения хозяина, а потом воспроизводит их.

Протез выполняет около тысячи замеров в секунду, постоянно обучается и с каждым разом всё лучше угадывает намерения человека.

В 2018 году инженеры Токийского Университета разработали защитную плёнку для кожи толщиной менее двух микрометров, которая позволяет производить ультратонкие, невероятно пластичные, высокопроизводительные носимые электронные дисплеи и другие устройства.

Такая технология позволит создать так называемую электронную кожу нового поколения, которая пригодится и роботам, и людям.

Первая реальная операция по пересадке действующего бионического глаза была сделана в России ещё в 2017 году. С тех пор технологии по созданию искусственного зрения совершили еще несколько шагов вперёд.

В 2018 году учёные из США разработали искусственный аналог глаза, хрусталик которого может автоматически изменять фокусное расстояние до наблюдаемого объекта.

Не менее уникальное изобретение в 2018 году представили учёные из Школы инженерных и прикладных наук при Гарвардском университете.

Они создали искусственный глаз, работающий по принципу человеческого. Устройство состоит из квадратной металинзы и искусственной мышцы, изготовленной из полимеров и электродов.

Проект был реализован под руководством профессора прикладной физики Федерико Капассо. Результаты их работы опубликованы в издании "The Harvard Gazeette".

В июле 2019 года группой китайских ученых была представлена новая технология эмуляции человеческого зрения созданная с использованием нейроморфных интерфейсов последнего поколения.

Результаты научного исследования опубликованы в журнале "Nature Nanotechnology".

В начале 2019 года исследователи из Технологического института Джорджии презентовали еще один протез, работающий на базе технологии машинного обучения.

Дополненная системой ультразвука новая разработка не только быстро "привыкает" к владельцу, но и с высокой точностью выполняет его указания.

Благодаря этому первый обладатель протеза музыкант Джейсон Барнс смог сыграть упрощенную версию оды "К радости" Бетховена.

Повысить точность и чувствительность бионических протезов также пытаются с помощью альтернативных методов управления.

Например, имплантации электродов к периферическим нейронам в оставшейся части конечности и даже через мозговые импланты.

🔼 Вернуться к Оглавлению статьи

Сборка. Нанороботы в роли нейрохирургов

В июле 2019 года высокотехнологичный стартап Neuralink в Сан-Франциско провел презентацию результатов двух лет своей работы.

➡️ Neuralink White Paper

Первые шаги компании включают в себя разработку робота-нейрохирурга, создание высокопроизводительного чипа для считывания сигналов мозга и его стимуляции, а также собственно нейроинтерфейс из тончайших полимерных нитей.

Ключевой инновацией нового нейроинтерфейса является использование очень тонких полимерных нитей с электродами.

Их диаметр составляет от четырех до шести микрометров, что на порядок меньше, чем толщина человеческих волос.

На каждой такой нити расположены по 32 электрода, а их общее число в текущей версии технологии может достигать 3072 (96 нитей).

Для внедрения в мозг животного или человека интерфейса компанией был создан специальный робот. Через небольшое отверстие машина проникает в полость черепа и аккуратно вводит нити.

За минуту робот способен имплантировать шесть нитей, то есть на полную интеграцию интерфейса в мозг человека уйдет всего 16 минут.

Даже с учетом подготовки пациента к процедуре, ее общее время не идет ни в какое сравнение с обычными многочасовыми неврологическими операциями.

В 2019 году исследователи из Гарвардской школы технических и прикладных наук имени Джона Полсона создали упрощённые человеческие органы с полностью интегрированными в них датчиками.

Результаты этого технологического достижения опубликованы в периодическом научном издании Nano Letters. Их назвали органоиды-киборги, или киборганоиды.

➡️ Cyborg Organoids. Implantation of Nanoelectronics

Цель заключалась в разработке наноэлектроники, которая будет настолько гибкой, растяжимой и мягкой, что датчики смогут "расти" вместе с тканью в ходе её естественного развития, попутно фиксируя всю активность "хозяина".

Затем команда увеличила показатели растяжимости, изменив строение сетки: вместо прямых линий появились змеевидные структуры (подобные используются в носимой электронике).

На следующем этапе специалисты поместили эту сетку на двумерный пласт стволовых клеток. Когда последние начали превращаться в трёхмерные органоидные структуры, электронная сетка подстраивалась под этот процесс, изменяя свою конфигурацию.

"Конечным результатом является кусок ткани с наноразмерным устройством внутри, полностью распределённым и интегрированным по всему трёхмерному объёму ткани", – сообщает руководитель научной группы Цзя Лю.

🔼 Вернуться к Оглавлению статьи

Нейроинтерфейсы вида "мозг-компьютер"

В последние пять лет в нейронауке происходили фантастические вещи! Некоторые из них были вполне созвучны с чудесами, описанными в Библии

В больнице Нью-Йорка нейротехнолог Гервин Шальк попросил компьютерных инженеров записать картину активности слуховых нейронов людей, слушающих Pink Floyd.

Когда инженеры преобразовали эти картины обратно в звуковые волны, они произвели сингл, который звучал в точности как ‘Another Brick in the Wall’.

В 2016 году ученые из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе создали первые в мире искусственные стохастические нейроны с фазовым переходом.

Схожесть искусственных нейронов с биологическими может привести к созданию искусственного интеллекта, который может работать наподобие человеческого мозга. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

В 2017 году Австралийские ученые создали имплантируемый интерфейс мозг-машина, который вернет парализованным людям способность передвигаться, контролируя экзоскелет силой мысли.

Устройство, по размеру сопоставимое с канцелярской скрепкой, было успешно испытано в Королевской больнице Мельбурна в 2017 году.

В ней использовалась запись электрических сигналов мозга, сделанных через череп "отправителей", и магнитная стимуляция мозга "получателей", сделав возможным совместное выполнение задач.

В 2017 году ученые из США презентовали технологию, которая поможет записывать активность мозга в виде нейронных сетей, образующихся во время работы клеток мозга. 

Ученые таким образом записали активность одной восьмой кубических миллиметров коры мозга. Этот объем занимает большую часть колонки кортекса.

Ведь отдел, который они изучают, отвечает за планирование движений.

Сейчас авторы работы планируют проанализировать активность всей колонки кортекса. Исследование опубликовано в Nature Methods.

В 2018 году специалисты из Калифорнийского университета с помощью нейроинтерфейса, нейромускульной стимуляции и подвеса научили ходить человека, парализованного ниже пояса.

В конце 2018 года компания Nissan разработала интерфейс "мозг-машина", чтобы считывать мысли во время вождения для уменьшения времени реакции.

В 2018 году бразильские исследователи вместе с коллегами из США, Швейцарии и Германии смогли частично восстановить спинной мозг у пациентов с помощью нейроинтерфейса, виртуальной реальности и экзоскелета.

"Каркасом" этого устройства является, как ни удивительно, обычная кожаная перчатка, только вот на ее пальцы с тыльной стороны помещены особые электростатические тормоза.

В 2019 году инженеры из Массачусетского Технологического Института (США) придумали, как быстро и недорого собрать нужную информацию о сложных биологических функциях тела человека для их последующей оцифровки.

Исследователи собрали 135 000 фрагментов тактильных данных о 26 обычных предметах, среди которых числились банки с газировкой, ножницы, теннисные мячи и столовые принадлежности.

Впоследствии, сверточная нейронная сеть использовала собранную информацию для распознавания конкретных объектов - точность составила внушительные 76%.

В 2019 году группа исследователей из Южной Кореи и США разработала беспроводной имплант, воздействующий на определенные участки головного мозга и управляющий нейронными связями при помощи… обычного смартфона через специальное приложение.

Статья с описанием этой технологии размещена в журнале Nature Biomedical Engineering.

В 2019 году коллаборация ученых из Тяньцзиньского университета (Китай) под руководством и специалистов из китайской компании China Electronics Corporation разработала новый компьютерный чип "Brain Talker" 3-го поколения.

Чип предназначен для создания интерфейсов мозг-компьютер (BCI) нового поколения, направленных на расшифровку мысленных намерений пользователя исключительно посредством нейронных электрических сигналов.

Он способен распознавать второстепенные нейронные электрические сигналы и эффективно декодировать содержащуюся в них информацию, значительно повышая скорость и точность передачи информации.

В начале 2019 года редакция журнала Science сообщила настоящую сенсацию, которая на фоне новогодней суеты прошла практически не замеченной.

Транскодировать мысли человека считанные в виде сигналов им удалось благодаря использованию сложных программных вычислений.

Эти вычисления проводили сразу несколько нейронных сетей, моделировавших работу отдельных участков в нейронах головного мозга.

В статье опубликованной некоторое время назад в Frontiers in Neuroscience, международная исследовательская группа возглавляемая специалистами из Университета Беркли и американского Института молекулярных производств сделала прогноз:

По словам ученых, это будет полноценная работающая технология, который соединит нейроны и синапсы мозга с облачными вычислительными сетями.

В 2019 году компания "Facebook" начала работу над неинвазивным нейроинтерфейсом, который поможет пользователям набирать текст силой мысли - без использования клавиатуры и вообще каких-либо вспомогательных устройств.

🔼 Вернуться к Оглавлению статьи

Вместо Заключения. Опасные игры военных

Сейчас основной областью прикладного использования нейроинтерфейсов официально считается медицина. Весьма активно развиваются и, так называемые, интерактивные направления (видео игры).

Крайне востребована эта технология и в промышленной сфере. К примеру, для управления экзоскелетами при выполнении трудной физической работы, которую нельзя автоматизировать полностью.

Очевидно, что наиболее перспективные исследования возможностей для практического применения нейроинтерфейсов ведутся не командой талантливых программистов Марка Цукерберга, а в закрытых военных лабораториях...

В 2018 году DARPA - Defense Advanced Research Projects Agency, филиал Министерства обороны США по исследованиям и развитию опубликовал научно-исследовательский план.

Имплантируемый нейронной интерфейс будет предоставлять мост между человеческим мозгом и цифровым миром.

Это устройство поможет преодолеть разрыв между "био-организмом" и "электроникой", говорится в заявлении DARPA. Программа называется нейроинженерная конструкция системы, или просто NESD.

Недаром вышеупомянутый Проект компании "Facebook" до недавнего времени контролировался Региной Дуган, бывшим директором Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA).

На одном из своих выступлений перед студентами Массачусетского Технологического Института эта чудесная женщина с гордостью рассказывала о достижениях Пентагона в этой области.

В данной статье мы с Вами рассмотрели "hardware" ("железо") для создания потенциального "сверхчеловека". В ближайшее время я обязательно дополню текст этой статьи ссылками на первоисточники информации по каждому абзацу.

А это интересное видео с Youtube Канала Наука 2.0 прекрасно подведёт итог всей публикации, наглядно показав некоторые из тех технологий, о которых я Вам рассказывал выше.

Мы с Вами убедились в том, что ученым и инженерам удалось освоить очень серьезные технологии в этой области

Уже сейчас они могут собрать полноценную "машину для убийства", которая будет управляться мозгом реального человека, подключенного к боевому роботу через программный нейроинтерфейс.

Или известный практически каждому сценарий технологического апокалипсиса из фильма "Терминатор" ещё по-прежнему далёк от реальности?

Ответы на этот и другие, не менее интересные вопросы, Вы узнаете из следующей статьи, которая будет размещена на нашем Канале в ближайшие дни.

🔼 Вернуться к Оглавлению статьи

Текст статьи и подбор доп. контента: Виталий Белов (HumDesCom)