Como os robôs modernos são desenvolvidos:'Cyborgs humanos se tornarão comuns'

Hoje, a neurociência e a robótica estão se desenvolvendo de mãos dadas. Mikhail Lebedev, supervisor acadêmico do Centro de Interfaces Bioelétricas da HSE University, falou sobre como o estudo do cérebro inspira o desenvolvimento de robôs.

Os robôs são interessantes para a neurociência e a neurociência é interessante para os robôs – é sobre isso que o artigo “Desafios da neuroengenharia da fusão robótica e neurociência” na revista Science Robotics .

Esse desenvolvimento colaborativo contribui para o progresso em ambos os campos, aproximando-nos do desenvolvimento de robôs androides mais avançados e de uma compreensão mais profunda da estrutura do cérebro humano. E, até certo ponto, combinar organismos biológicos com máquinas, para criar organismos cibernéticos (ciborgues).

Neurociência para robôs

Robôs geralmente se assemelham a humanos em sua maquiagem. Isso é verdade para robôs destinados a imitar ações e comportamentos humanos – a neurociência é menos importante para máquinas industriais.

A coisa mais óbvia a ser usada no projeto de um robô é fazê-lo parecer humano. Os robôs geralmente têm dois braços, duas pernas e uma cabeça, mesmo que isso não seja necessário do ponto de vista da engenharia. Isso é especialmente importante quando o robô interage com as pessoas – uma máquina que se parece conosco é mais fácil de confiar.

É possível garantir que não apenas a aparência, mas também o “cérebro” do robô se assemelhe ao de um humano. Ao desenvolver os mecanismos de percepção, processamento de informações e controle, os engenheiros se inspiram na estrutura do sistema nervoso humano.

Por exemplo, os olhos de um robô – câmeras de TV que podem se mover em diferentes eixos – imitam o sistema visual humano. Com base no conhecimento de como a visão humana é estruturada e como o sinal visual é processado, os engenheiros projetam os sensores do robô de acordo com os mesmos princípios. Desta forma o robô pode ser dotado da capacidade humana de ver o mundo em três dimensões, por exemplo.

Os seres humanos têm um reflexo vestíbulo-ocular:os olhos aplicam estabilização usando informações vestibulares quando nos movemos, permitindo-nos manter a estabilidade da imagem que vemos.

Também pode haver sensores de aceleração e orientação no corpo de um robô. Isso ajuda o robô a levar em consideração os movimentos do corpo para estabilizar a percepção visual do mundo exterior e melhorar a agilidade.

Além disso, um robô pode experimentar a sensação de toque como um humano – um robô pode ter pele, pode ser tocado. E então ele não se move aleatoriamente no espaço:se toca um obstáculo, ele o sente e reage a ele como um humano. Ele também pode usar essas informações táteis artificiais para agarrar objetos.

Os robôs podem até simular sensações de dor:algumas formas de contato físico parecem normais e outras causam dor, o que muda drasticamente o comportamento do robô. Começa a evitar a dor e a desenvolver novos padrões de comportamento, ou seja, aprende – como uma criança que foi queimada por algo quente pela primeira vez.

Não apenas os sistemas sensoriais, mas também o controle do corpo de um robô pode ser projetado de forma análoga ao dos humanos. Nos humanos, a caminhada é controlada pelos chamados geradores de ritmo central – células nervosas especializadas projetadas para controlar a atividade motora autônoma. Existem robôs em que a mesma ideia é usada para controlar o andar.

Além disso, os robôs podem aprender com os humanos. Um robô pode realizar ações de infinitas maneiras, mas se quiser imitar um humano, deve observar o humano e tentar repetir seus movimentos. Quando comete erros, compara-se com a forma como um humano realiza a mesma ação.

Robôs para Neurociência

Como a neurociência pode usar robôs? Quando construímos um modelo de um sistema biológico, começamos a entender melhor os princípios pelos quais ele funciona. Portanto, desenvolver modelos mecânicos e computacionais do controle do movimento do sistema nervoso humano nos aproxima da compreensão das funções neurológicas e da biomecânica.

E a área mais promissora do uso de robôs na neurociência moderna é o design de neurointerfaces – sistemas para controlar dispositivos externos usando sinais cerebrais. As neurointerfaces são necessárias para o desenvolvimento de neuropróteses (por exemplo, um braço artificial para pessoas que perderam um membro) e exoesqueletos – estruturas externas ou esqueletos para um corpo humano aumentar sua força ou restaurar a capacidade motora perdida.

Um robô pode interagir com o sistema nervoso por meio de uma interface bidirecional:o sistema nervoso pode enviar um sinal de comando ao robô, e o robô de seus sensores pode retornar informações sensoriais ao humano, causando sensações reais ao estimular nervos, terminações nervosas na pele, ou no próprio córtex sensorial.

Esses mecanismos de feedback permitem restaurar a sensação de um membro se ele foi perdido. Eles também são necessários para movimentos mais precisos do membro robótico, pois é com base nas informações sensoriais recebidas dos braços e pernas que corrigimos nossos movimentos.

Há uma questão interessante que surge aqui:Devemos controlar todos os graus de liberdade do robô através de uma interface neural? Em outras palavras, como devemos enviar comandos específicos para ele?

Por exemplo, podemos “ordenar” que o braço robótico pegue uma garrafa de água e ele realizará operações específicas:abaixará o braço, o virará e abrirá e apertará os dedos de sua mão – tudo por conta própria.

Essa abordagem é chamada de controle combinado – damos comandos simples por meio de uma interface neural e um controlador especial dentro do robô seleciona a melhor estratégia para implementação.

Ou podemos criar um mecanismo que não entenda o comando ‘pegue a garrafa’:ele precisa receber informações sobre movimentos específicos e detalhados.

Estudos atuais

Neurocientistas e cientistas robóticos estudam vários aspectos da operação do cérebro e dispositivos robóticos. Por exemplo, na Duke University realizei experimentos com interfaces neurais em macacos, pois as interfaces precisam estar diretamente conectadas às áreas do cérebro para que funcionem com precisão e tais intervenções experimentais nem sempre são possíveis de serem realizadas em humanos.

Em um dos meus estudos, um macaco caminhou por um caminho e a atividade de seu córtex motor, responsável pelo movimento das pernas, foi lida e acionou um robô para começar a andar. Ao mesmo tempo, o macaco observou esse robô andando em uma tela colocada na frente dele.

O macaco usou feedback, então corrigiu seus movimentos com base no que viu na tela. É assim que as interfaces neurais mais eficazes para implementar a caminhada são desenvolvidas.

O futuro cibernético

Essa pesquisa nos leva a desenvolvimentos inovadores no futuro. Por exemplo, criar um exoesqueleto para restaurar os movimentos de pessoas completamente paralisadas não parece mais uma fantasia inatingível – apenas leva tempo.

O progresso pode ser impedido pela falta de poder computacional, mas o desenvolvimento nos últimos dez anos também foi enorme aqui. É provável que em breve veremos pessoas ao nosso redor usando exoesqueletos leves e confortáveis ​​em vez de cadeiras de rodas ou carrinhos de bebê para se locomover.

Ciborgues humanos se tornarão comuns.

O desenvolvimento comercial de tais sistemas está ocorrendo em todo o mundo, inclusive na Rússia. Por exemplo, o famoso projeto ExoAtlet está desenvolvendo exoesqueletos para a reabilitação de pessoas com deficiência motora.

O HSE Center for Bioelectric Interfaces participou do desenvolvimento de algoritmos para essas máquinas:Center Head, Professor Alexey Ossadtchi, e seus alunos de doutorado desenvolveram uma neurointerface que aciona os movimentos de caminhada do exoesqueleto.

O rápido desenvolvimento de robôs humanóides também está se tornando uma realidade. É provável que em breve tenhamos robôs andando por aí nos imitando em muitos aspectos – movendo-se como nós e pensando como nós. Eles serão capazes de fazer parte do trabalho anteriormente disponível apenas para humanos.

Obviamente, veremos o desenvolvimento da robótica e da neurociência, e esses campos convergirão. Isso não apenas abre novas oportunidades, mas também cria novas questões éticas, como como devemos tratar robôs andróides ou ciborgues humanos.

E, no entanto, até agora, os humanos são melhores que os robôs em muitos aspectos. Nossos músculos são os mais econômicos:coma um sanduíche e você terá energia suficiente para o dia todo. O robô terá uma bateria descarregada em meia hora.

E embora possa ser muito mais poderoso que um humano, muitas vezes é muito pesado. Quando se trata de elegância e otimização da capacidade de energia – até agora, um humano ainda é superior a um robô.

Não é muito no futuro quando isso mudará – existem dezenas de milhares de cientistas e engenheiros talentosos trabalhando para esse objetivo.

Do site do nosso parceiro, Notícias de Ciência e Tecnologia