O Futuro da Robótica: Como Robôs Modernos São Criados e Por Que Cyborgs Humanos Estão Se Tornando Comuns

Neurociência e Robótica Evoluem Juntas Rumo a Organismos Cibernéticos

Hoje, neurociência e robótica estão se desenvolvendo de mãos dadas. Mikhail Lebedev, supervisor acadêmico no Centro de Interfaces Bioelétricas da Universidade HSE, falou sobre como estudar o cérebro inspira o desenvolvimento de robôs. Robôs são interessantes para a neurociência e a neurociência é interessante para robôs – isso é sobre o que era o artigo "Desafios de neuroengenharia da fusão de robótica e neurociência" no jornal Science Robotics.

Tal desenvolvimento colaborativo contribui para progresso em ambos os campos, nos aproximando de desenvolver robôs androides mais avançados e um entendimento mais profundo da estrutura do cérebro humano. E, até certo ponto, a combinar organismos biológicos com máquinas, para criar organismos cibernéticos (cyborgs).

Neurociência para Robôs

Robôs frequentemente se assemelham a humanos em sua composição. Isso é verdade para robôs destinados a imitar ações e comportamento humanos – a neurociência é menos importante para máquinas industriais. A coisa mais óbvia a usar no design de um robô é fazê-lo parecer humano. Robôs frequentemente têm dois braços, duas pernas e uma cabeça, mesmo que não seja necessário do ponto de vista de engenharia. Isso é especialmente importante quando o robô interagirá com 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. No desenvolvimento de mecanismos para percepção, processamento de informação e controle, engenheiros são inspirados pela 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. Baseado no conhecimento de como a visão humana é estruturada e como o sinal visual é processado, engenheiros projetam os sensores do robô de acordo com os mesmos princípios. Dessa forma, o robô pode ser dotado da capacidade humana de ver o mundo em três dimensões, por exemplo.

Humanos têm um reflexo vestíbulo-ocular: os olhos aplicam estabilização usando informação vestibular 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. Estes ajudam o robô a levar em conta movimentos do corpo para estabilizar a percepção visual do mundo exterior e melhorar agilidade. Além disso, um robô pode experimentar o sentido do tato como um humano – um robô pode ter pele, pode sentir toque. E então não apenas se move aleatoriamente no espaço: se toca um obstáculo, o sente e reage a ele como um humano faria. Também pode usar esta informação tátil artificial para agarrar objetos.

Robôs podem até simular sensações de dor: algumas formas de contato físico sentem-se normais e outras causam dor, o que muda drasticamente o comportamento do robô. Ele começa a evitar a dor e desenvolver novos padrões de comportamento, ou seja, aprende – como uma criança que foi queimada por algo quente pela primeira vez. Não apenas sistemas sensoriais, mas também o controle do corpo de um robô pode ser projetado analogamente ao dos humanos. Em humanos, caminhar é controlado por chamados geradores de ritmo central – células nervosas especializadas projetadas para controlar atividade motora autônoma. Existem robôs nos quais a mesma ideia é usada para controlar caminhar. Além disso, robôs podem aprender com humanos. Um robô pode realizar ações de um número infinito de maneiras, mas se quer imitar um humano, deve observar o humano e tentar repetir seus movimentos. Quando comete erros, compara-se com como um humano realiza a mesma ação.

Robôs para a 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 de controle de movimento do sistema nervoso humano nos aproxima de entender funções neurológicas e biomecânica. E a área mais promissora de uso de robôs na neurociência moderna é no projeto de neurointerfaces – sistemas para controlar dispositivos externos usando sinais cerebrais. Neurointerfaces são necessárias para o desenvolvimento de neuropróteses (por exemplo, um braço artificial para pessoas que perderam um membro) e exoesqueletos – estruturas ou esqueletos externos para um corpo humano para aumentar sua força ou restaurar habilidade motora perdida.

Um robô pode interagir com o sistema nervoso através de uma interface bidirecional: o sistema nervoso pode enviar um sinal de comando ao robô, e o robô de seus sensores pode retornar informação sensorial ao humano, causando sensações reais estimulando nervos, terminações nervosas na pele, ou o próprio córtex sensorial. Tais mecanismos de feedback tornam possível restaurar a sensação de um membro se ele foi perdido. Eles também são necessários para movimentos mais precisos do membro robótico, já que é com base na informação sensorial recebida dos braços e pernas que corrigimos nossos movimentos.

Surge uma questão interessante aqui: Devemos controlar todos os graus de liberdade do robô através de uma interface neural? Em outras palavras, como devemos enviar comandos específicos a ele? Por exemplo, podemos "ordenar" o braço robótico a pegar uma garrafa de água, e ele realizará operações específicas: baixará o braço, virará, e abrirá e fechará os dedos de sua mão – tudo por conta própria. Esta abordagem é chamada controle combinado – damos comandos simples através de uma interface neural, e um controlador especial dentro do robô seleciona a melhor estratégia para implementação. Ou podemos criar um mecanismo que não entenderá o comando "pegue a garrafa": precisa ser enviado informação sobre movimentos específicos e detalhados.

Estudos Atuais

Neurocientistas e cientistas robóticos estudam vários aspectos de operação cerebral e dispositivos robóticos. Por exemplo, na Duke University realizei experimentos com interfaces neurais em macacos, já que interfaces precisam ser conectadas diretamente a áreas do cérebro para funcionarem com precisão e tais intervenções experimentais nem sempre são possíveis de serem realizadas em humanos. Em um de meus estudos, um macaco caminhou ao longo de um caminho e a atividade de seu córtex motor, responsável pelo movimento das pernas, foi lida e acionou um robô a começar a caminhar. Ao mesmo tempo, o macaco observou este robô caminhando em uma tela colocada à sua frente. O macaco usou feedback, então corrigiu seus movimentos baseados no que viu na tela. É assim que as interfaces neurais mais eficazes para implementar caminhada são desenvolvidas.

O Futuro Cibernético

Tal pesquisa nos leva a desenvolvimentos inovadores no futuro. Por exemplo, criar um exoesqueleto para restaurar movimentos de pessoas completamente paralisadas não parece mais uma fantasia inalcançável – apenas leva tempo. O progresso pode ser retardado 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 para se locomover. Cyborgs humanos se tornarão comuns.

Desenvolvimento comercial de tais sistemas está ocorrendo em todo o mundo, incluindo na Rússia. Por exemplo, o famoso projeto ExoAtlet está desenvolvendo exoesqueletos para reabilitação de pessoas com deficiências motoras. O Centro HSE para Interfaces Bioelétricas participou no desenvolvimento de algoritmos para estas máquinas: Chefe do Centro, Professor Alexey Ossadtchi, e seus doutorandos desenvolveram uma neurointerface que aciona os movimentos de caminhada do exoesqueleto.

O rápido desenvolvimento de robôs humanoides também está se tornando realidade. É provável que em breve tenhamos robôs andando por aí imitando-nos em muitos aspectos – movendo-se como nós e pensando como nós. Eles serão capazes de fazer alguns dos trabalhos anteriormente disponíveis apenas para humanos. Obviamente, veremos o desenvolvimento de tanto robótica quanto neurociência, e estes campos convergirão. Isso não apenas abre novas oportunidades, mas também cria novas questões éticas, como como devemos tratar robôs androides ou cyborgs humanos. E ainda, até agora, humanos são melhores que robôs de muitas maneiras. Nossos músculos são os mais econômicos: coma um sanduíche e você terá energia suficiente para o dia todo. O robô terá bateria descarregada em meia hora. E embora possa ser muito mais poderoso que um humano, é frequentemente pesado demais. Quando se trata de elegância e otimização de capacidade energética – até agora, um humano ainda é superior a um robô. Não está longe no futuro quando isso mudará – há dezenas de milhares de cientistas e engenheiros talentosos trabalhando para este objetivo.

Do nosso site parceiro, Science and Technology News