Согласно теории Дарвина, у наших прапрапращуров был хвост и густая шерсть. Со временем, облик менялся и из обезьяноподобного животного эволюционировал самый обычный человек. С двумя ногами, руками, головой, туловищем и внутренними органами. С органами чувств: глазами, носом, ушами, языком и кожей. А также сложными системами нервов, кровоносных сосудов, пищеварительной и эндокринной. Но эволюция человеческого рода отнюдь не закончилась на стадии Homo Sapiens Sapiens - и будучи собственно «человеком разумным», наш вид может уже не полагаться только на действия природы, но и вносить изменения в собственную «конструкцию» технологическими методами. Наука не стоит на месте — постоянно изобретаются все новые материалы, устройства и технологии, воспроизводящие функции человеческого тела…
Какое будущее ждет нас? Какими мы будем в дальнейшем? Попробуем представить этот облик. Например, пожалуй, каждый из нас хоть раз мечтал перепрыгнуть через автомобиль, с помощью рук сгибать металлические прутья, четко видеть в темноте, а еще быстро бегать и вообще творить прочие чудеса. Сейчас это только мечты, плод бурной фантазии, пока нереальные и невоплотимые желания. Но всегда радует, когда после просмотра фантастического фильма оказывается, что нечто из показанного на экране хотя бы в стадии разработки, но уже существует в реальном мире! Мы живем в очень интересное время - мир меняется на глазах и именно технологический прогресс помогает людям менять облик будущего. На нынешнем этапе достижений в области биотехники открываются все новые масштабы реальных перспектив человечества по изменению самой сущности нашего биологического вида.
Подготавливая о современных технологиях протезирования, мы преследовали две цели. Первая вполне очевидна - рассказать, как научно-технический прогресс (в первую очередь, именно в области информационных технологий) впервые за столетия существования протезной индустрии помогает людям, потерявшим конечности, обрести не просто подобие утраченного, но максимально восстановить функции органа и, в некоторых случаях, даже превысить возможности здорового человека. А второй, более глубокой, целью статьи было описание устройств и технологий, наиболее приближенных к мечтам о киборгизации. Разумеется, пока искусственные руки и ноги уступают в эффективности биологическим, никому не придет в голову заменять здоровую конечность протезом - но направление развития технологий протезирования говорит именно о том, что в скором времени соотношение возможностей изменится. Ученые и инженеры последовательно делают, возможно, иногда и маленькие, но уверенные шаги к созданию полного киборга. На основе улучшения интеграции нервной системы с протезами и имплантами, а такде мощных и компактных источников энергии, человек сможет полностью преобразиться. Одним словом, если даже с ним что-то случится, то его «починят» с применением последних технологических достижений. И тут мы подходим к теме нынешней статьи: кроме рук и ног, киборгу потребуются еще и органы чувств - как минимум, глаза и уши. Не помешает «апгрейд» и мозгу, но так как чисто искусственный интеллект - это совсем отдельная тема, то в рамках данного материала мы рассмотрим возможные улучшения для биологического мозга. К сожалению, как и с протезами рук и ног, подавляющее большинство описываемых разработок пока находятся на стадии исследований и лабораторных экземпляров, а цены на них запредельны. Однако, так всегда происходит с новыми технологиями, а сам факт их существования дает вполне реальную перспективу на коммерческое внедрение - ведь каждая новинка в этой отрасли приближает к реальности не только мечты о киборгах, но и дает надежду на возвращение к нормальной жизни для людей, утративших по той или иной причине некие функции организма…
Мозг
Из всех органов человека именно вмешательство в мозг является самым сложным. Что тут говорить, если даже все его возможности еще до конца не изучены… Тем не менее, определенные манипуляции с мозгом проводятся, в основном с целью излечения болезней.
Профессор Университета Южной Каролины после длительных исследований создал чип, способный заменить гиппокампус — часть мозга, ответственную за кратковременную память, а также ориентацию в пространстве. Поскольку гиппокампус зачастую подвергается нарушениям при нейродегеративных заболеваниях, то данный чип, ныне проходящий лабораторные испытания, может стать незаменимой вещью в жизни многих больных.
Германским ученым из Института биохимии имени Макса Планка после длительных иследований удалось совместить живые клетки головного мозга с полупроводниковым чипом. Важность открытия заключается в том, что данная технология дает возможность выращивать очень тонкие полоски тканей на чипе, в результате чего он позволит очень подробно наблюдать взаимодействие всех нервных клеток между собой путем выявления сигналов, посылаемых клетками через синапсы.
Не столь давно, калифорнийской компанией Neuropace был разработан электростимулирующий прибор для эпилептиков, названный «нейростимулятором ответных реакций» (Responsive Neurostimulator). Принцип работы заключаться в том, что устройство сдерживает поток неконтролируемых импульсов во время припадков с помощью электрических разрядов из внешнего источника. Устройство Neuropace состоит из компактного нейростимулятора, который вживляют вместе с набором проводов в череп человека, а также аккумулятора и миниатюрного специализированного компьютера, постоянно контролирующего электрическую активность в мозге. Испытания Neuropace проводились на сотне пациентов, удовлетворительный результат просматривался практически у половины.
Достаточно крупная группа ученых из нескольких стран Европы с 2005 года ведут иследования и разработки в рамках проекта Fast Analog Computing with Emergent Transient States (FACETS), целью которого является создание микропроцессора, симулирующего 200000 нейронов, объединенных между собой 50 миллионами синаптических соединений. По словам участников проекта, для полноценного воспроизведения работы мозга человека им потребуется несколько тысяч таких процессоров, объединенных в кластер - но когда это будет сделано, человечество существенно приблизится к созданию искусственного интеллекта.
Глаза
Глаза — это один из самых важных органов человека, так как именно с помощью глаз человек воспринимает большую часть входящей информации об окружающем мире. Сейчас на планете миллионы людей страдают от различных заболеваний органов зрения. Для того, чтобы исправить дефекты зрения, требуется не только вмешательство врачей, а и физиков, химиков, технологов. Современное развитие технологий дает надежду на то, что человек в дальнейшем получит исцеление и сможет видить мир во всей его красоте.
На сегодняшний день пока что нет коммерчески доступных решений, которые смогли бы хотя бы частично заменить полностью отсутствующее зрение - фактически, есть только известные уже несколько столетий стеклянные глазные яблока, обеспечивающие только внешнюю схожесть с утраченным органом. Однако в виде прототипов уже существуют устройства, наконец-то изменяющие эту ситуацию - над созданием полноценного глазного протеза бъются ученые и инженеры в разных странах.
Пройдя длительный процесс от теории к практике, ученым Калифорнийского университета удалось создать протез, который способен выполнять функции сетчатки глаза. На данном этапе тестирования человек способен видеть только размытую картинку, но дальнейшие перспективы достаточно позитивны. Данный протез устроен так: на оправе очков закрепляется камера, через которую изображение передается прямо на уцелевшие нейроны в сетчатке глаза. Для перевода входящего видеосигнала в импульсы, которые способны воспринять нервные клетки, пришлось разработать специальный программно-аппаратный конвертер.
Аналогичным образом работает и альтернативная разработка, созданная исследователями из MIT (Массачусетсткого Технологического Института). Группа ученых, работающих над созданием данного имплантанта, занимается этим вопросом уже более 20 лет, а практические испытания запланированы на следующие три года. Камера, располагающаяся на очках, передает изображение на микрокомпьютер, преобразующий видеосигнал в электрические импульсы. Эти импульсы через вживленные электроды непосредственно влияют на зрительные нервы, которые, в свою очередь, передают сигнал в мозг.
Существует еще два варианта искусственных глаз, основанных на том же принципе. Группа специалистов консорциума Bionic Vision Australia (объединяющего ученых из пяти исследовательских институтов и университетов Австралии) презентовали свой бионический глаз в Университете Мельбурна. Лабораторные испытания уже проводятся, а более массовое внедрение ожидается к 2013 году.
Наконец, не столь давно компания Second Sight Medical Products Inc. сделала заявление о том, что она начинает клинические испытания глазного имплантанта The Argus II. Около 10 человек согласились на участие в экспериментальной программе, а стоимость одного бионического глаза от Second Sight составляет $100000.
Стоит отметить, что качество зрения, которое предлагает используемая во всех вышеупомянутых устройствах технология напрямую зависит от количества светочуствительных электродов в имплантанте. Если на нынешнем этапе их всего 60, то в скорем будущем это число планируют довести до 1000, что радикально улучшит восприятие - не просто передавая пятна света, но гораздо полноценнее сообщая человеку о происходящем вокруг.
А вот подход британцев, разработавших технологию BrainPort, принципиально отличается от всех вышеописанных в части метода передачи информации. Идея в том, что человек должен начать видить с помощью… языка. Внешняя часть устройства, как обычно, включает в себя небольшую видеокамеру, вмонтированную в оправу очков и конвертер, преобразующий сигнал. Однако, вместо электродов, вживляемых в сетчатку и передающих данные на зрительные нервы, BrainPort оборудован небольшой трубкой с прямоугольным передатчиком, который необходимо положить на язык. Электрические импульсы передаются на него и в зависимости от их интенсивности, человек может распознавать наличие препятствий на пути. Чем-то напоминает анекдот про удаление гланд нестандартным методом, но зато и цена проходящего испытания BrainPort существенно меньше, например, Argus II и составляет 18000 фунтов.
Что касается не восстановления утраченного, а оптимизации имеющегося, то весьма любопытный подход к улучшению возможностей зрения предложен группой ученых из университета Вашингтона в Сиэттле, руководимой профессором Бабаком Парвизом. Они создали контактные линзы с интегрированным светодиодом, радиоантенной и приемником. На данном этапе в линзе находится всего один светодиод, а испытания проводились на кроликах. В «полноценном» варианте предполагается, конечно, более широкие возможности - вплоть до трансляции на сетчатку изображения в HD-формате, когда технологии достигнут соответствующего уровня. Подобные линзы позволят эффективно реализовать «дополненную реальность» без применения очков, а также такие фокусы как, например, приближение изображения. Но даже в уже существующем варианте с единственным светодиодом определенную пользу из такой линзы извлечь можно, если заставить его работать в качестве индикатора некоего критически важного процесса.
Все знают, что такое очки - устройство для улучшения зрения или модный аксессуар с защитой от солнечного света или вещь, которая скрывает синяки под глазами. А недавно были изобретены очки i-Mos, которые умеют говорить. Их применение позволит резко улучшить возможности коммуникаций для полностью парализованных людей (например, как герой основанного на реальной истории фильма «Скафандр и бабочка» Жан-Доминик Боби: оставшийся парализованным после инсульта, он смог написать книгу по буквам, давая своему помошнику знаки путем моргания, когда тот показывал ему алфавит). Для того, чтобы использовать такие очки, все что требуется от человека, это знание азбуки Морзе. Сенсор отслеживает движение зрачков: поворот направо - тире, налево - точка. На внутренний экран очков выводятся распознанные буквы, причем для быстрого завершения слова можно воспользоваться привычной по мобильным телефонам системой ввода Т9. И когда слово закончено - оно воспроизводится через интегрированный динамик. Такой вид очков, конечно, предназначен для людей с физическими недостатками, хотя ими смогут пользоваться и люди, которым просто лень открывать рот.
Уши
Вторым, основным органом чувств в существовании человека являются уши, то есть слух. По разным причинам его теряют, а вот жить без восприятия звуков очень тяжело. К счастью, в отличие от зрения, частичное и даже полное восстановление слуха реализуется проще, поэтому уже достаточно давно существуют слуховые аппараты или, по-научному, кохлеарные имплантанты. Принцип их работы прост: с помощью микрофона, расположенного за ухом, аудиосигнал передается на вторую часть аппарата, стимулирующую слуховой нерв - по сути, слуховой аппарат увеличивает громкость воспринимаемого звука.
В связи с тем, что существующие устройства в принципе со своими задачами справляются, ничего сверхестественно нового не появляется. Но, разумеется, определенные улучшения в имеющуюся конструкцию по мере развития технологий вносятся.
Так, например, профессором Мириам Фарст-Юст из Школы электротехники Тель-авивского университета был разработан новый вид прикладного программного обеспечения «Clearcall». Данная программа предназначена сугубо для кохлеарных имплантантов и слуховых аппаратов и позволяет более четко слышать в шумных местах звуки, распознавать речь, а также отфильтровывать фоновые шумы. Для того, что бы человек воспринимал нормально звуки, Clearcall работает с собственной базой данных звуков, в результате чего идет максимально точное отфильтровывание посторонних шумов и усиление «полезных» сигналов. Собственно, подобного рода программное обеспечение применяется, например, и в наушниках с системой шумоподавления, поэтому в данном случае интересно в основном именно то, что ПО предназначено специально для слуховых аппаратов.
Не остался в стороне и такой гигант индустрии, как Siemens. Подразделение компании, которое специализуется на разработке слуховых аппаратов и аксессуаров к ним, анонсировало так называемую платформу BestSound, на основе которой и производятся новые модели слуховых аппаратов Siemens. В состав BestSound входят три разработки специалистов компании: SpeechFocus, FeedbackStopper и SoundLearning 2.0. Первая использует направленный микрофон, с помощью которого усиливается звук. За счет этого порог распознавания речи улучшается до 4 дБ, а в условиях низкого шума даже до 7 дБ. FeedbackStopper - это технология блокирования акустической обратной связи, а SoundLearning 2.0 помогает владельцу аппарата записать все его настройки в определенных условиях: эти данные остаются в памяти устройства и автоматически настраивают слуховой аппарат при следующем попадании в аналогичные условия.
В качестве практически анекдотических моментов стоит упомянуть о двух совершенно разных разработках в этой области. Во первых - слуховой аппарат The Plug, существующий просто в виде дизайнерского эксперимента. При типовой функциональности, выглядит устройство как серьга-туннель в мочке уха. Пожалуй, реальная целевая аудитория для подобного продукта, если бы его запустили в серийное производство, была бы слишком узкой - разве что молодые неформалы, но вообще идея забавная. Во-вторых, в России в продаже уже доступны слуховые аппараты Widex Passion с применением нанотехнологий. Юмор, как это часто бывает в сочетании тем «Россия» и «нанотехнологии», в том, что броское слово используется для привлечения внимания к товару, достаточно далекому от «настоящих» нанотехнологий - в данном случае, всё «нано» заключается в том, что благодаря некой патентованной системе NanoCare в ресивер аппарата попадает меньше ушной серы и, как следствие, его нужно реже менять.
Возможно, многое из описанного в этой статье пока не производит какого-то ошеломляющего впечатления. Но еще недавно подобные достижения были вовсе невозможными и только технический прогресс последних десятилетий дал возможность хотя бы приблизиться к, например, функциональной замене глазного яблока. Более того, практически во всех случаях авторы изобретений заявляют о том, что перспектива дальнейших улучшений (в том числе весьма значительных) вполне очевидна - требуется просто время на продолжение разработки. Весьма немаловажно, что все эти открытия помагают людям адаптироваться к нормальной жизни, но не менее интересно и то, что в уже в недалеком будущем достижения в области искусственных органов позволят не только вернуть утраченные функции, но и сделать обычного человека сильнее, выносливее, внимательнее и, возможно, даже умнее. И если даже сейчас вам это покажется странным, то вспомните, как 15 лет назад мобильный телефон, а 30 лет назад - компьютер, казались ненужной роскошью. Впереди нас ждет очень интересное время!
Судя по всему, теперь лишь вопрос времени, когда мы научимся пересаживать человеческий мозг внутрь механического тела. Терминология К выходу готовится новый документальный фильм «Невероятный Бионический Человек» (The Incredible Bionic Man). Один из героев данной ленты родился без левого предплечья и сейчас носит бионический протез. Формально, по определению, он киборг. Но лишь частично.
В некоем общекультурном понимании, киборг - это существо с полностью механическим телом. Как минимум, внешней механической оболочкой.
Давайте на секунду задумаемся над самими терминами «бионический» и «киборг». В большинстве случаев они взаимозаменяемы, и оба вошли в оборот в 60-х годах. «Бионический» (bionic) произошёл от biology (биологический) и electronic (электронный). «Киборг» (cyborg) состоит из cybernetic (кибернетический) и organism (организм). Оба термина описывают живые организмы, которые усилены или улучшены с помощью технических приспособлений. Во избежание путаницы, в рамках данной статьи я предлагаю остановиться на термине «киборг».
У многих слово «киборг» вызывает образ Робокопа или Дарта Вейдера. Хотя, конечно, это крайние формы кибернетического организма. Авторы этого термина, Манфред Клайнс (Manfred Clynes) и Нэйтан Кляйн (Nathan S. Kline), определяли его как «замена телесных функций человека для соответствия требованиям окружающей среды». Более того, с этой точки зрения авторы считали применение химических веществ не менее важным средством, как и электроника с механикой. Но в таком контексте можно назвать киборгом и Лэнса Армстронга, пожизненно дисквалифицированного за применение допинга. В любом случае, киборг немыслим без использования механических устройств и приспособлений.
Что мы имеем на сегодня?
Современные научно-технические достижения, накопленные за последние 50 лет, в сумме уже позволяют заменить 60-70% функций человеческого тела. В чём же мы больше всего преуспели бы, задайся целью создать киборга с наименьшим количеством органики?
Конечности
Наибольшего успеха учёные и конструкторы достигли в создании искусственных конечностей. Например, бионический протез i-Limb от компании Touch Bionics с помощью датчиков снимает сигналы с мышц, имеющихся на остатке/рудименте конечности, и интерпретирует как то или иное движение, которое пытается сделать человек.
Однако самой прорывной технологией сегодня является искусственная конечность, управляемая мысленно. В Агентстве оборонных технологий (DARPA) разработали механическую руку, которая подключается к мышечным нервам, так что человек может двигать ею, просто представив, что он двигает собственной рукой. Конечно, в домашних условиях такой протез установить не получится, если у вас нет собственной операционной и нейрохирурга.
Это не единственный проект подобного рода, в начале прошлого года публике была представлена искусственная нога, управляемая по тому же принципу, что и рука от DARPA. Со стороны это выглядит совершенно фантастически. За кадром пока остаются особенности эксплуатации и обслуживания подобного протеза, как и его очень высокая стоимость.
Кости
По нынешним меркам, одна из самых простых искусственных замен в организме. Чаще всего искусственные кости, от больших берцовых до позвонков, изготавливают из титана. Однако успехи в 3D-печати теперь позволяют создавать высокоточные пластиковые замены.
Учёные работают над ещё одним способом усиления скелета. Он заключается не в полной замене конкретной кости, а в её армировании с помощью вспененного полиуретана с добавлением титановой пудры и связующих компонентов. Авторы считают, что благодаря своей пористой структуре армирующий имплантат из подобной «титановой пены» будет обрастать костной тканью, тем самым сильно улучшив механическую прочность кости. Трудно сказать, смогут ли довести эту технологию до практического применения, но в целом идея заслуживает внимания.
Органы
Задача искусственного воспроизведения внутренних органов гораздо сложнее по сравнению с теми же конечностями. Дальше всего мы продвинулись в создании искусственного сердца, причём эта технология постоянно улучшается. Судя по всему, скоро станет возможным создание полноценных искусственных почки и глаза.
Некоторого успеха учёные добились на пути к созданию клеток искусственной печени, однако до воспроизведения самого органа ещё далеко. Ведутся работы и по созданию искусственного кишечника. Кроме всего перечисленного, ждут своих исследователей и искусственные мочевой пузырь, селезёнка, лимфатическая система, желчный пузырь… Не говоря уже о самом сложном органе в человеческом теле…
… о мозге
Пожалуй, это сложнейшая задача. Её можно условно разделить на две части: воспроизведение структуры мозга и разработку искусственного интеллекта. Инженеры неустанно пытаются с помощью суперкомпьютеров повторить нейронную сеть нашего «мыслительного» органа. Например, проект IBM SyNAPSE, моделирующий 530 млрд нейронов (человеческий мозг в среднем содержит 86 млрд). Однако скорость работы подобных компьютерных кластеров несопоставимо медленнее. SyNAPSE отстаёт в 1500 раз от настоящего мозга. Программному симулятору Spaun, запущенному на суперкомпьютере в Университете Ватерлоо, понадобилось 2,5 часа для симуляции 1 секунды активности человеческого мозга.
Другим подходом может стать ограничение размера искусственной нейронной сети ради увеличение быстродействия. В качестве примера выступает специализированный компьютер Neurogrid. Он содержит 16 чипов, каждый из которых представляет собой 65 тыс. «нейронов». Потребляет эта малютка всего лишь 5 Вт (IBM Blue Gene/Q Sequoia потребляет 8 МВт). Около 80 настраиваемых параметров позволяют моделировать различные виды нейронов. Для связи между ними используется цифровой сигнал, а для вычислений - аналоговый. По утверждению разработчиков, Neurogrid, эмулирующий работу всего лишь 1 млн нейронов, при простых вычислениях по быстродействию сравним с настоящим мозгом.
Конечно, само по себе воспроизведение нейронной сети ещё не сделает её искусственным мозгом. Нужно научить её «думать». Сложность задачи по созданию искусственного интеллекта сложно переоценить, это один из крупнейших вызовов современной науки. Небольшие подвижки в этом направлении есть, среди широкой общественности наиболее известна Siri в продукции Apple. Однако многие учёные сомневаются в том, что создание искусственного интеллекта, сравнимого с человеческим, в принципе достижимо при современном уровне развития науки и техники.
В сухом остатке
В рамках этой статьи вопрос о создании искусственного мозга имеет лишь умозрительный характер. Ведь существо (машина?) с таким органом уже не может называться киборгом по определению. Поэтому, просуммировав всё вышесказанное, целесообразно упростить задачу. Поставим вопрос так: «Насколько мы близки к созданию киборга с живым мозгом и полностью искусственным телом»? В целом, технологически, в ближайшие 20 лет вряд ли стоит ожидать появления первых «цельномеханических» киборгов.
Существует и иная точка зрения. В соответствии с ней будущие полноценные киборги будут иметь не искусственное тело, а органическое, но выращенное в лабораторных условиях. Причём это тело будет иметь целый ряд улучшений по сравнению с «обычными» людьми. Однако здесь возникает целый ряд вопросов. В первую очередь: как называть таких существ?
Важным аспектом в создании полноценного киборга является наша социальная и этическая неготовность к принятию этого события. Посмотрите, например, как тяжело проникает в общество идея клонирования. Создание людей с механическим телом, а особенно с улучшенным биологическим, многими будет расценено как присвоение человеком божественной роли Создателя. У этого мнения будет немало сторонников, и, возможно, понадобится не одно десятилетие для сглаживания социального и религиозного неприятия.
Сегодня мы находимся в самом начале развития биотехнологий. Сегодня очень трудно предсказать, каким будет (и будет ли) киборг будущего. Вероятнее всего, механическое тело будут делать максимально похожим на настоящее. Так что образ Робокопа так и останется невоплощённой в жизнь кинофантазией.
Ещё один путь продления жизни — перенесение личности человека на другой носитель.
На мой взгляд — основная проблема при перенесения личности — это проблема ИДЕНТИЧНОСТИ ЛИЧНОСТИ. Дело в том, что мы до сих пор не знаем что такое личность и однозначно ли определяет её только набор нейронных связей, памяти и стереотипов поведения. Лично мне больше импонирует понятие душа.
Решением здесь может являться постепенная, по мере необходимости, замена элементов тела на дублирующие и расширяющие функции устройства с параллельной фиксации динамических параметров работы мозга и переносом их в нейрокомпьютер, для последующей замены при отмирании клеток мозга, способом постепенного перемещения. То есть Создание киборгов. В большинстве фильмов показано что это для является трагедией для личности человека. Однако я так совсем не думаю. Увеличить свои возможности — это того стоит, никто ведь не выступает против зубных протезов.
Так Японцы в этом году планируют вживить аппарат для наблюдения инфракрасного и ультрафиолетового излучения. А в Англии вживлена микросхема для управления компьютером.
В настоящее время уже синтезированы вещества, позволяющие ткани нерва обрастать контакт микросхемы.
Немецким ученым удалось соединить ряд живых нервных клеток с элементами кремниевого чипа. Таким образом, они создали первую в мире сложную схему, сочетающую живые и неживые компоненты.
Двое исследователей Института биохимии Макса Планка посредством микроперегородок из полимида сумели зафиксировать около 20 нейронов улитки на кремниевом чипе. Между собой нейроны парами соединили через синапсы. Пары были соединены с полевыми транзисторами чипа, образуя схемы кремний-нейрон-нейрон-кремний. Входной электрический импульс стимулирует первый нейрон, далее через синапс сигнал проходит во второй, постсинаптическое возбуждение которого модулирует ток транзистора, образуя выходной сигнал компонента из двух транзисторов и двух нейронов.
Улитка Lymnaea stagnalis издавна была главным подопытным существом нейрофизиологов из-за больших размеров своих нервных клеток, доступных для манипуляций обычными инструментами.
Данный эксперимент имеет большое значение для определения принципиальной возможности функционирования подобных систем. Нейроэлектроника долго подбиралась к этому достижению. В будущем гибридные схемы из комбинаций живых и неживых элементов позволят осуществить прорыв в медицине, заменяя поврежденные естественные биомеханизмы человека на искусственные имплантанты, управляемые нервной системой. Многим людям можно будет вернуть утраченные или изначально отсутствующие функции: зрение, слух, подвижность. Эти функции даже можно будет заметно усилить по сравнению с обычными. Возможно, кому-то не помешают дополнительные умственные способности или, скажем, память (вспомним фильм «Джони-мнемоник»).
С другой стороны, гибридные элементы сделают реальностью киборгов — роботов, приближающихся по своим способностям к человеку. Пока сделан небольшой, но принципиальный шаг навстречу технологиям будущего.
Сейчас немецкие ученые уже работают над созданием схемы из 15 тысяч транзисторно-нейронных элементов. Для создания больших схем необходимо научиться более точно сопрягать синапсы нейрона с транзисторами», — отметил биофизик Петер Фромгерц, который разработал данную технологию совместно со своим коллегой Гюнтером Зеком.
А Российским ученым удалось создать первую в мире интеллектуальную машину, способную выполнять функции человеческого мозга. В основе искусственного интеллекта, названного брейнпьютером, лежит модель клетки головного мозга человека. Идея создания искусственного «мозга» принадлежит российскому ученому — академику международной академии информатизации Виталию Вальцелю.
Ещё в 1956 году советскими учеными в Центральном научно-исследовательском институте протезирования и протезостроения Министерства социального обеспечения РСФСР был создан макетный образец «биоэлектрической руки» — протеза, управляемого с помощью биотоков мышц культи. Это «чудо ХХ века», впервые демонстрировалось в советском павильоне на Всемирной выставке в Брюсселе.
Обладатель исскуственной руки пользуется ей очень просто, без каких-либо неестественных усилий: мозг отдает мышцам приказание сократиться, после чего легкое сокращение одной мышц культи заставляет кисть сжаться, сокращение другой — раскрывает ее. Протез надежно работает при любом положении руки, с его помощью человек может самостоятельно обслуживать себя: одеться, обуться, за обеденным столом управляться с ножом и вилкой по всем правилам хорошего тона, а также писать, чертить и т.п. Более того уверенно работать напильником и ножовкой, пинцетом и ножницами и даже управлять транспортным средством..
ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЛАЗА
Многие ученые, работающие над проблемой искусственного зрения, пытаются активизировать потенциальные возможности мозга слепых. Разработанная американскими учеными электронная система искусственного зрения построена следующим образом: в глазницах слепого устанавливаются стеклянные глаза — высокочувствительные экраны, воспринимающие световые волны (вместо сетчатки). Стеклянные глаза, содержащие матрицы светочувствительных элементов, соединяются с сохранившимися мышцами зрительных органов слепого. Благодаря усилию глазных мускулов положение этих экранов (камер) можно менять, направляя их на тот или иной объект. В дужках темных фальшивых очков, заменяющих оптический нерв, размещены микроузлы, преобразующие изображение, «считываемое» с экрана, которое передается в электронный блок, связанный с электродами, кончики которых введены в участки гловного мозга, ведающие зрением. Соединение электронных схем с вживленными электродами производится либо по проводам с подкожным разъемом, либо через передатчик, устанавливаемый снаружи и имеющий индуктивную связь со вживленной частью системы под черепной коробкой.
Каждый раз, когда экран в глазнице слепого регистрирует какой-либо несложный объект, миниатюрная ЭВМ в дужке очков преобразует изображение в импульсы. В свою очередь электроды «переводят» их в иллюзорное ощущение света, соответствующее определенному пространственному образу. Предстоит еще много сделать, чтобы подобные системы искусственного зрения стали высокоэффективными приборами, приносящими реальную пользу не отдельным пациентам, а тысячам и тысячам слепых.
Интересно, что глаз воспринимает единый визуальный ряд очень фрагментарно, создавая целый набор различных зрительных репрезентаций, которые затем параллельно — в форме отдельных нервных импульсов — транслируются в нервные центры мозга.
Выяснилось, что визуальный образ формируется мозгом на основе двенадцати отдельных грубых «набросков», в которых отражены определенные элементы внешнего мира. Формирование этих образов обусловлено структурно, — строгая специализация ганглиев находит непосредственное отражение в строении сетчатки. Она состоит из нескольких слоев. Зрительную информацию воспринимают светочувствительные фоторецепторы (палочки и колбочки). Они передают импульсы слою горизонтальных и биполярных клеток, которые связаны с ганглиями многочисленными нервными отростками. На этом этапе и фильтруется информация.
Все ганглии делятся на 12 групп, и каждая из них снимает свое «кино», фиксирует свою часть картинки — это может быть движение, или большие структурно однообразные объекты, или границы объектов, и т. п. Затем мозг складывает эти куски окружающей реальности воедино и, вероятно, дополняет их образами, хранящимися в памяти. На основе полученных данных была построена компьютерная модель, симулирующая активность ганглиев и наглядно демонстрирующая, какие именно изображения передаются в мозг.
СЛУХОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Не менее успешно ведутся работы и по созданию электронных устройств для людей, частично или полностью потерявших слух. Один из наиболее удобных аппаратов, усилительный тракт которого построен на одной интегральной микросхеме. Его вес не более 7 граммов. Применяемые электретные микрофоны со встроенными истоковыми повторителями имеющими высокую чувствительность.
Значительно сложнее вернуть человеку слух при полной его потере. Обычно глухим вживляют в улитку внутреннего уха одноканальные электроды (вместо нервов), что позволяет им слышать, например, звуки телефонного или дверного звонка. С появлением микропоцессоров возникла возможность обработки воспринимаемых звуков для выделения составляющих тональных сигналов, подаваемых на отдельные каналы многоканального аппарата искусственного слуха, синтезирующие первоначальные сигналы в слуховом участке коры головного мозга.
ИСКУССТВЕННОЕ СЕРДЦЕ
Конструкция первого механического сердца была разработана еще в конце 1930-х гг. русским хирургом Владимиром Демиховым. Устройство это представляло собой насос, приводящийся в действие электромотором. Эксперименты показали перспективность идеи как таковой: собакам, у которых функции удаленного сердца выполнял его рукотворный аналог, удавалось прожить до двух с половиной часов. Спустя 30 лет после этих опытов была проведена первая подобная операция на человеке. Цель ее была сравнительно скромной — дать пациенту возможность протянуть несколько дней в ожидании донорского сердца. В начале 1980-х гг. было создано устройство, рассчитанное на длительный период работы. Искусственное сердце, которое получило название Jarvik-7, предназначалось также и для больных, которые никогда не дождутся своего донора. Ситуация обычная, поскольку органов, пригодных для трансплантации, никогда не было в избытке. Первый из пациентов, подключенных к Jarvik-7, прожил 112 дней, еще один — 620 дней.
Впрочем, жизнь их была малоприятной. Работа механического сердца вызывала конвульсии, затрудненное дыхание, нарушения работы внутренних органов, помутнение сознания. Больные были буквально прикованы к внешнему блоку питания и управления размером со стиральную машину. Наконец, чтобы этот блок соединить проводами с имплантированным в грудь насосом, приходилось проделывать дыры в теле пациентов. Риск занести инфекцию, как нетрудно догадаться, в таких условиях огромен. Словом, несовершенство первых искусственных аналогов сердца было настолько очевидно, что в одной из статей в «Нью-Йорк Таймс» эти исследования обозвали «Дракулой медицинских технологий».
Однако в последнее время появляется все больше оснований изменить скептическое отношение к попыткам сконструировать эффективно работающие устройства, способные с успехом заменить сердце. Созданы надежные миниатюрные двигатели, микропроцессоры дают уникальную возможность регулировать поток крови в зависимости от физической нагрузки, а легкие и емкие литиевые батареи могут обеспечить необходимую энергию. Все эти технологические достижения воплощены в конструкции портативного искусственного сердца, созданного специалистами американской компании Abiomed Inc. Устройство, получившее название AbioCor, представляет собой механический насос с внутренними клапанами и четырьмя трубками, которые соединяются с сосудами. Вся конструкция в точности симулирует работу настоящего человеческого сердца. Питается этот титаново-пластмассовый агрегат от батареи весом менее двух килограммов — ее предполагается повесить пациенту на пояс. Причем никакие провода из груди торчать не будут, поскольку энергия передается прямо через кожу. В этом отношении у AbioCor просто нет аналогов. Внешний блок питания транслирует радиосигнал, который преобразуется в электрические импульсы детектором, имплантированным в брюшную полость. Батарея требует подзарядки каждые четыре часа, и на время ее замены подключается внутренний блок питания, рассчитанный на 30 минут автономной работы. Кроме всего прочего, система оснащена миниатюрным передатчиком, позволяющим дистанционно отслеживать параметры работы всего устройства.
Специалисты из Abiomed потратили на свою разработку 30 лет, но и сегодня они говорят, что удалось сконструировать лишь экспериментальную модель. Цель дальнейших исследований — создать искусственное сердце, способное работать до пяти лет.
Первый в мире Киборг
Британский профессор превратился в самого настоящего киборга. Ему была сделана операция по вживлению чипа в нервную систему, которая обошлась ему в кругленькую сумму — 714 575 долларов. Хирурги вживили микрочип в нерв на левой руке профессора Кевина Ворвика, и он, таким образом, стал полу-роботом. Теперь деятельность его нервной системы контролируется компьютером, который считывает информацию с движений руки мистера Ворвика. Ученые из университета Ридинг собираются также немного поэкспериментировать со своим коллегой. Они планируют посылать его нервной системе искусственные импульсы, чтобы проверить, могут ли быть синтезированы эмоции, например, раздражение и злоба. Сам доброволец надеется, что у него проснется шестое чувство, и он сможет ориентироваться в пространстве даже с закрытыми глазами. «Это очень важный исторический момент. Он изменит весь мир,» — считает профессор Ворвик. Эксперименты над рукой профессора-робота продлятся несколько месяцев, и за это время исследователи надеются получить исчерпывающую информацию о том, как работает обновленная рука мистера Ворвика. Эмоции профессора будут тщательнейшим образом отслеживаться через чип.
Кевин Ворвик не новичок в этом деле. Четыре года назад в его левую руку был вживлен микрочип, который включал и выключал свет, а также открывал автоматические двери. На этот раз ему пересадили более совершенный микрочип, ширина которого составляет всего три миллиметра. Сто тончайших электродов были подсоединены к нерву срединной артерии, а снаружи они подведены к компьютеру. В ближайшее время исследователи собираются вживить аналогичный микрочип жене профессора Ирене и соединить чету Ворвиков проводочками, чтобы проследить, смогут ли в таком случае супруги шевелить пальчиками друг друга. Ученые надеются, что этот эксперимент поможет разработать новую методику реабилитации людей с ограниченными физическими возможностями.
Когда мы слышим о киборгах («кибернетических организмах»), наш разум неизменно обращается к научной фантастике. Но на деле киборги уже давно существуют: например, взгляните на людей с кардиостимуляторами и ушными имплантами. Их тела - это сочетание органических, электронных и биомеханических частей. В нашей подборке вы познакомитесь с людьми, в тела которых технологии интегрированы куда более экстремальными способами.
1. Джерри Джалава
Палец Джерри Джалава - это жёсткий диск, хотя слово «флэшка» тут кажется более уместным. Он потерял часть пальца в результате несчастного случая, и сделал то, что сделал бы любой здравомыслящий человек (шутка): превратил свой палец в жёсткий диск. Диск с USB-портом находится внутри протеза, а протез крепится к тому, что осталось от пальца. Всякий раз, когда Джерри нужно использовать жёсткий диск, он просто снимает протез, подключает его, а сделав всё необходимое, извлекает. Что впервые даёт возможность украсть важные данные при рукопожатии - как в кино про шпионов.
2. «Бегущие по лезвию»
Большинство из нас слышали об Оскаре Писториусе, южноафриканском спринтере. У него ампутированы обе ноги, и прежде чем его осудили за убийство подруги, он принял участие в летних Паралимпийских играх 2012 года. Писториус использует J-образные протезы из углеродистого волокна, которые позволяют ему сохранять подвижность, невзирая на инвалидность. Многие паралимпийцы используют этот тип углеродистого волокна в своих протезах, поскольку оно лёгкое и прочное. И хотя Писториус вряд ли может служить образцом для подражания, этот вид протезирования становится всё более распространённым.
3. Роб Спенс
Себя Роб Спенс называет «глазборг». Правый глаз он потерял вследствие неудачного выстрела из ружья. Многие люди после такого вполне обошлись бы стеклянным глазом, но Спенс, кажется, решил повеселиться и вставил в свою пустую глазницу видеокамеру с батареей питания. Камера записывает всё, что он видит, для последующего воспроизведения. Спенс, как и подобает режиссёру, постоянно совершенствует свой глаз-камеру, чтобы сделать его ещё эффективнее.
4. Тим Кэннон
У разработчика программного обеспечения Тима Кэннона есть электронный чип, который ему вживили под кожу приятели. И кстати, ни один из участников этой процедуры не был дипломированным хирургом. Для облегчения боли они использовали лёд, поскольку дипломированных анестезиологов среди них тоже не оказалось. Несмотря на риск для здоровья и юридические риски, идея сама по себе интересна.
Чип называется Circadia 1.0, он записывает температуру тела Кэннона и отправляет эти данные на смартфон. Случай Кэннона указывает на возможность дальнейшего слияния техники и людей, когда данные, собранные с помощью чипов, могут быть использованы для изменения нашего окружения. В будущем такие технологии могут применяться в «умных домах», которые будут считывать данные с вживлённых чипов, а затем менять обстановку, делая её более подходящей для нашего настроения и состояния. К примеру, приглушить свет или включить расслабляющую музыку.
5. Амаль Граафстра
Амаль Граафстра - владелец компании под названием «Опасные вещи», которая продаёт самовживляющиеся наборы имплантатов. У самого Амаля в обе руки имплантированы чипы RFID, между большими и указательными пальцами. Эти имплантаты позволяют ему отпирать двери в доме, открывать машину, включать компьютер при помощи быстрого сканирования рук. В чипах предусмотрена даже интеграция в социальные сети.
Имплантаты Амаля не видны, пока он сам их не покажет. Он использует их не для того, чтобы вернуть к нормальному уровню свою функциональность или органы чувств, а для улучшения существующей, нормальной функциональности.
6. Кэмерон Клэпп
У Кэмерона Клэппа человеческая голова, человеческое туловище и левая рука. Обе ноги и правую руку он потерял ещё подростком, из-за крушения поезда. Все отсутствующие конечности были заменены протезами, что не мешает Клэппу быть бегуном, игроком в гольф и актёром. На протезах ног используется специальная система, стимулирующая рост мышц. Ещё там стоят датчики, которые контролируют распределение веса тела и регулируют гидравлику, позволяя Клэппу свободно ходить. У него есть несколько комплектов протезов для разных целей: отдельный комплект для ходьбы, для бега и даже для плавания.
7. Кевин Уорвик
Прозвище «Капитан Киборг» больше похоже на имя пирата-киборга из какого-нибудь низкобюджетного фильма, но на самом деле так называют преподавателя кибернетики Кевина Уорвика. Уорвик сам является киборгом. У него, как и у Амаля Граафстра, есть чипы RFID, имплантированные в тело.
Уорвик также использует имплантаты-электроды, взаимодействующие с его нервной системой, а набор простейших электродов он имплантировал своей жене. Имплантаты записывают сигналы нервной системы и Уорвику передаются ощущения его жены, как будто между ними существует сенсорная телепатия. Этим Уорвик спровоцировал массу споров, а некоторые утверждают, что вся его работа является просто рекламным трюком и проводится сугубо для развлечения.
8. Найджел Экланд
Найджел Экланд работал на заводе, обрабатывающем драгоценные металлы, и радовался жизни, пока в результате несчастного случая на работе его рука не оказалась раздроблена. В результате часть пришлось ампутировать, и теперь Найджел один из 250 человек, использующих Bebionic - один из самых передовых протезов рук изо всех существующих на сегодняшний день. Увидев его стильный дизайн, легко понять, почему его называют «Рука Терминатора».
Экланд управляет протезом, сокращая мышцы оставшейся части руки. Движения мышц фиксируются датчиком бионической руки. С помощью этой руки он не только может указывать, пожимать руки людям и звонить по телефону. Технология продвинута настолько, что Экланду удаётся играть с колодой карт и даже завязывать шнурки.
9. Нил Харбиссон
Нил Харбиссон слышит цвета. Да, вам не послышалось. Харбиссон с рождения страдает дальтонизмом и может видеть только в чёрно-белых тонах. В его мозг имплантирована антенна, конец которой торчит из макушки. Эта антенна даёт Нилу возможность чувствовать цвета, преобразуя частоты световых волн в частоты звуковые. Там даже имеется Bluetooth!
Харбиссон любит слушать архитектуру и делает звуковые портреты людей. USB-устройство у него в затылке, позволяет подзаряжать антенну, хотя Нил надеется, что когда-нибудь сможет заряжать её с помощью беспроводных технологий, используя энергию, генерируемую его собственным телом.
Это устройство позволяет Харбиссону не только воспринимать цветовой спектр так, как его воспринимаем все мы, оно фактически даёт возможность различать также инфракрасный и ультрафиолетовый цвета. Интеграция технологий в тело Харбиссона расширяет его чувства за пределы диапазона, который мы считаем нормальным, и делает его настоящим киборгом.
10. Гибридная вспомогательная конечность
Гибридная вспомогательная конечность - мощный экзоскелет, который может помочь снова начать ходить всем, кто сидит в инвалидных колясках. Он был создан Японским университетом Цукуба и компанией Cyberdyne (в которой, очевидно, никто не слышал о фильме «Терминатор») для того, чтобы не только поддержать людей с ограниченными физическими возможностями, но и помочь им выйти за рамки обычного диапазона физических способностей человека.
Эзоскелет работает, считывая слабые сигналы с кожи и двигая суставами исходя из этих сигналов. Используя его, человек способен поднять вес в пять раз превышающий собственный. Представьте себе будущее, в котором такие экзоскелеты используют строители, пожарные, шахтёры, солдаты. Будущее, в котором потеря конечности не означает потерю подвижности. Это будущее - не за горами.
Япония является не только страной с развитой структурой высокотехнологичного производства, со своими крупными компаниями Toyota, Mitsubishi, Nikon, Sony и т.д., но и страной, в которой развиваются и внедряются новые технологии. Японские автомобили завоевали доверие во всем мире, как комфортный, безопасный и надежный вид транспорта. Наука в Японии развивается стремительными темпами, так как государство постоянно финансирует эту сферу. Японии буквально за полвека удалось вывести свою страну на передовые позиции по количеству новых разработок в механике, электронике, роботостроении, нанотехнологиях, генетике и т.д. Японские ученные долгое время пытались создать в области робототехники точную копию человеческой кожи. Основной задачей ученых было создать образец синтетической кожи, которая обладала бы повышенной чувствительностью и могла ощущать даже легкое дуновения ветра.Но им пока этого не удалось осуществить.
В настоящее время две научные группы из Калифорнии смогли добиться успеха в создании синтетической кожи. Им удалось в Калифорнийском университете в Беркли создать кожу на основе нанопроводки, которую они вырастили из кремниевых и германиевых нитей. Нити были нанесены на клейкую полиимидную пленку.
В результате продолжительных экспериментов ученым удалось создать эластичный материал, в основе которого лежат нанопроводки, которые работают как транзисторы. На поверхности тонких волокон был нанесен изолирующий слой с рисунком и дальше такой же слой был нанесен на слой резины, которая обладает высокой чувствительностью. Между двумя слоями имеется связь (проводящие мостики), которые выполнены в виде тончайших электродов. Такое изобретение ученые назвали «Е-skin» и оно способно ощущать даже место с приложенным давлением незначительной величины.
Разработанная новая технология позволяет в качестве основного материала использовать резину, пластик, а также возможен вариант введения в структуру материала антибиотиков и других веществ. При испытании материала использовался небольшой кусок искусственной кожи 7х7 см, на который была нанесена чувствительная матрица 19х18 пикселей, состоящая из сотни наноштырей. Ученные прикладывали к куску кожи различное давление от 0 до 15 килопаскалей. Испытания прошли успешно и можно сказать, что искусственная кожа приблизилась по чувствительности к человеческой коже.
Ученные отметили преимущества своего изобретение перед конкурентными разработками. Разработки других научных центров основаны на применении гибких органических материалов, которые нуждаются в высоких напряжениях. Разработка Калифорнийского университета в Беркли по созданию искусственной кожи – это новая технология, которая основана на использовании монокристаллических неорганических полупроводников. Она работает при напряжении в 5 Вольт. Опыты показали, что новая кожа может выдержать более 2 тыс. изгибаний без потери чувствительности и ученные обещают в ближайшем будущем эти характеристики улучшить.
Судя по этому открытию можно судить, что скоро появятся роботы визуально похожие на человека. Киборги с человеческим обликом появятся скоро и это уже не фантастика.