На пути к киборгизации
Кибернетические протезы
Пять фактов об устройстве киберманипуляторов,
интерфейсе мозг-компьютер и полном протезировании тела
Александр Каплан, ПостНаука
В научно-популярной литературе термин «киберпротезы» все более мистифицируется, становится некой самодостаточной категорией, чуть ли не гибридом разума и электроники. Между тем киберпротезы сами по себе – это частный случай кибернетических манипуляторов, которые уже десятки лет собирают часы и автомобили, шьют тапочки и добывают грунт на небесных телах. В последние годы принципы киберманипуляторов используют при построении протезов, замещающих конечности у пациентов-ампутантов.
1. Принципы работы киберманипуляторов
Приставка «кибер-» во всех своих приложениях говорит лишь о том, что процессы управления в этих устройствах непрерывно корректируются обратной информацией от датчиков, отслеживающих успешность выполнения целевой задачи. Чтобы, например, переместить фигуру на шахматной доске, киберманипулятор должен быть обеспечен не только соответствующими движителями, но и измерителями скорости и направления перемещения фигуры, детекторами ее захвата и правильного удержания, а самое главное – иметь план целевого действия. Только под контролем всех этих параметров происходит целесообразное действие киберустройства.
В настоящее время несколько компаний в мире выпускают не только вполне приличные киберпротезы рук и ног, но и кибернетические экзоскелетные конструкции, которые прикрепляются к парализованным телу и конечностям и позволяют в буквальном смысле поднять человека с больничной койки. Производительная вычислительная техника и передовые алгоритмы дают возможность с помощью киберпротезов наладить, например, ходьбу или бег по ровной местности, захват предметов искусственной кистью и так далее. В России сейчас полным ходом идет создание аналогичных конструкций сразу в нескольких научных и производственных центрах.
2. Интерфейс мозг-компьютер
У киберпротезов и экзоскелетов есть одна проблема: при том что они обеспечены разнообразными датчиками физических показателей исполняемого действия, у них нет датчиков намерений человека, которого они обслуживают. Между тем именно нашими волевыми усилиями определяются целевые задачи: продолжить движение по прямой, повернуть, пойти вверх или спуститься под горку. Вот эту задачу регистрации намерений человека решают бурно развивающиеся в настоящее время технологии интерфейсов мозг-компьютер, которые позволяют сигналы мозга соединить напрямую с киберпротезами. Новые биокибернетические протезы и экзоскелеты будут обеспечены информацией от мозга. Уже сейчас во многих лабораториях мира и в нашей стране тестируются первые действующие образцы этих гибридов автоматического действия и волевых усилий человека. К примеру, в нашей лаборатории компьютер, находящийся на линии регистрации электрической активности мозга, уже хорошо понимает, какую букву задумал человек при наборе текста, какую команду – направо-налево или вверх-вниз – он хочет мысленно отдать манипулятору или другому устройству.
3. Внедрение электродов в мозг
В биокибернетических протезах электронно-вычислительная автоматика корректируется сигналами от мозга. Основной трудностью здесь является регистрация и расшифровка электрических сигналов от мозга. Эти сигналы или электроэнцефалограмму можно легко зарегистрировать прямо с кожной поверхности головы – безболезненно, практично и дешево. Однако структура этого сигнала крайне сложна, так как в силу своей природы он является отражением активности сотен тысяч нервных клеток. Поэтому его расшифровка дает недостаточную информацию для тонкого управления киберманипулятором. В то же время если электроды ввести прямо в мозг, то можно получить максимально точный контакт с нужной группой из нескольких десятков нервных клеток и гораздо точнее уловить намерение человека. Более того, в такой ситуации мозг сам начинает подстраивать активность этих нейронов под управление связанного с ними протеза. В конце 2012 года почти одновременно в двух американских лабораториях ученым удалось с помощью таких вживленных электродов и соответствующих алгоритмов расшифровки активности нейронов дать возможность парализованным пациентам управлять искусственной рукой одной только силой намерения. Впервые за многие годы бездеятельного состояния с помощью этой кибернетической руки они смогли, например, самостоятельно подать себе банку с напитком или угостить себя шоколадкой. Однако технологии с внедрением электродов в мозг позволительны только по крайним жизненным показаниям и требуют настоящей нейрохирургической операции.
4. Стоимость и сферы применения киберустройств
Сейчас время бурного развития этих технологий. Ежегодно десятки новых научных лабораторий начинают работу по разработке киберустройств, управляемых от мозга, мышц и движений глаз. Мне представляется, что в ближайшие 3-5 лет мы увидим, чего, собственно, могут достичь эти технологии. К этому времени их стоимость, если не включать в нее собственно управляемые устройства, может сравняться со стоимостью простых ноутбуков и мобильных телефонов. А стоимость самих киберустройств (киберпротезов, киберэкзоскелетов и так далее) не будет отличаться от стоимости аналогичных конструкций без управления от мозга.
Не думаю, что следует ожидать каких-то революционных изменений в жизни человека в связи с массовым распространением управляемых от мозга киберпротезов и экзоскелетов. Однако можно ожидать, что значительной части лежачих пациентов с тяжелыми нарушениями двигательной системы удастся подняться и начать самостоятельно передвигаться в вертикальном положении. Гораздо большее число здоровых людей начнет пользоваться носимыми устройствами для трансляции мысленных макрокоманд: открыть гараж, подать предмет, когда руки заняты, набрать телефонный номер, вызвать ссылку в интернете и так далее.
5. Полное протезирование тела
По-видимому, главным вопросом, которым придется задаться человеческому сообществу в эпоху массового распространения нейроинтерфейсных устройств и связанных с ними киберконструкций, будет вопрос о том, насколько приемлемо для человека полное протезирование тела по мере постепенного выхода из строя его основных жизненных органов. Технологически человечество будет к этому подготовлено уже в ближайшие 25 лет, так как уже сегодня в основном завершаются опытно-конструкторские разработки, и переходят в фазу клинических испытаний, например, протезы сердца, почек.
Об авторе:
Александр Каплан – доктор биологических наук, психофизиолог, профессор кафедры физиологии человека и животных, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов на биологическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
04.12.2014