Научная фантастика на протяжении многих лет смотрит в будущее, в котором роботы являются интеллектуальными, а киборги - слияние человека и машины - обычным явлением - Терминатор, Матрица, Робот - все это хорошие примеры. Однако до недавнего времени не было необходимости серьезно задумываться о том, что это может означать в будущем в реальном мире, поскольку это была только научная фантастика, а никак не научная реальность. Однако в настоящее время наука не только наверстает упущенное, но и, выдвигая некоторые идеи, первоначально выдвинутые научной фантастикой, привнесла практические аспекты, которые изначально не охватывались (а в некоторых случаях все еще не охватываются) сюжетными линиями.
Здесь рассмотрим соответствующие эксперименты по объединению биологии и технологии в кибернетическом ключе. Ключом к этому является то, что важна конечная система в целом. Там, где задействован мозг, что, безусловно, так и есть, его следует рассматривать не как самостоятельное образование, а скорее, как часть общей системы, адаптированную к потребностям системы. В частности, какой вклад такие гибридные системы могли бы внести в области космических полетов.
Роботы с биологическим мозгом
Сначала рассмотрим область, о которой, возможно, не сразу вспомним. Первоначально, когда человек думает о мозговом компьютерном взаимодействии, то обычно речь идет о мозге, который уже функционирует и оседает в теле - обычно это человеческое тело. Однако здесь рассматриваем возможность свежего слияния, когда мозг вырастает "с нуля" и в дальнейшем получает тело для работы.
Когда думаешь о роботе, это может быть маленькое колесное устройство, которое приходит на ум, или металлическая головка, которая выглядит примерно, как человек. Каким бы ни был внешний вид робота, как правило, он управляется человеком дистанционно, как в случае с роботом для обезвреживания бомб, он управляется простой компьютерной программой или даже может обучаться с помощью микропроцессора/компьютера в качестве мозга. Во всех этих случаях мы рассматриваем робота просто как машину.
Но что, если у робота есть биологический мозг, состоящий из клеток мозга (нейронов), возможно даже человеческих нейронов? Нейроны, культивируемые в лабораторных условиях на массиве неинвазивных электродов, представляют собой привлекательную альтернативу для реализации новой формы роботизированного контроллера. Экспериментальная платформа управления, тело робота, может перемещаться в определенной области исключительно под контролем некой сети/мозга, и воздействие мозга, контролирующего тело, может быть очевидным. Это не только чрезвычайно интересно с точки зрения робототехники, но и открывает новый подход к изучению развития самого мозга благодаря его сенсорно-моторному воплощению. Поэтому могут быть проведены исследования в области формирования памяти и сценариев вознаграждения/наказания.
Обычно культивирование сетей клеток мозга (в настоящее время от 100 000 до 150 000) начинается с отделения нейронов, полученных из корковых тканей эмбриона грызунов с помощью ферментов. Затем нейроны выращиваются (культивируются) в специальной камере, в которой им могут быть предоставлены подходящие условия окружающей среды (например, соответствующая температура) и обеспечены минералами и питательными веществами. Массив электродов, встроенных в основание камеры, действует как двунаправленный электрический интерфейс к культуре/из культуры. Нейроны в таких культурах спонтанно соединяются, общаются и развиваются в течение нескольких недель, давая полезные ответы, как правило, в течение 3 месяцев в настоящее время.
В настоящее время культура выращивается в стеклянной камере с плоской многоэлектродной решеткой 8x8, которую можно использовать для записи в реальном времени. Можно разделить обжиг малых групп нейронов, контролируя выходной сигнал на электродах. Таким образом, может быть сформирована картина глобальной активности всей сети. Также можно электрически стимулировать культуру, используя двухфазные электрические импульсы, через любой из электродов, чтобы вызвать нейронную активность. Таким образом, многоэлектродная сеть образует двунаправленный интерфейс к культивированным нейронам.
После первоначального роста и развития мозга, продолжающегося около 10 дней, культуру можно соединить с ее физическим телом робота. Сенсорные данные, поступающие от робота, затем передаются в культуру, тем самым закрывая цикл робот-культуры.
Таким образом, обработка сигнала может быть разбита на два дискретных раздела:
1) "культура роботу", в которых живая нейронная активность используется в качестве механизма принятия решений для управления роботом,
2) "робот к культуре", в котором используется процесс отображения входных данных, начиная с датчика робота для стимулирования культуры.
Фактическое количество нейронов в культуре зависит от естественного изменения плотности посева. Отбирается образец электрохимической активности культуры, который используется в качестве входного материала для колес робота. Тем временем показания ультразвукового датчика робота преобразуются в сигналы стимуляции, получаемые культурой, тем самым, образуя замкнутый контур. Существующий нейронный путь определяется путем поиска прочных связей между парами электродов. Такие пары определяются как те электродные комбинации, в которых нейроны вблизи одного электрода реагируют на стимуляцию со стороны другого электрода, при которой стимул применялся более 60% времени и реагируют не более 20% времени на стимуляцию на любой другой электрод. Затем можно составить примерную карту отклика ввода-вывода культуры путем циклического перемещения по всем электродам.
Таким образом, можно выбрать подходящую пару входных/выходных электродов, чтобы обеспечить начальный путь принятия решения для робота. Используется для управления телом робота - например, если активен ультразвуковой датчик, и нужно, чтобы реакция робота заставила его отвернуться от объекта, находящегося в ультразвуковом режиме (возможно, от стены), для продолжения движения. Для проведения экспериментов робот движется вперед, пока не достигнет стены, после чего значение гидролокатора снижается ниже порога, вызывая стимулирующий импульс.
Если реагирующий/выходной электрод регистрирует активность, робот поворачивается, чтобы избежать стены. В экспериментах робот поворачивается спонтанно при регистрации активности на электродах-ответчиках.
Наиболее значимым результатом является возникновение цепочки событий:
- обнаружение стены
- стимулирование
- реакция
С неврологической точки зрения, конечно же, интересно также предположить, почему активность на ответном электроде проявляется, когда стимулирующий импульс не был применен. В качестве общего элемента управления для направления и избежания образования стен, культурная сеть выступает в качестве единственной структуры, принимающей решения в рамках общего цикла обратной связи.
Очевидно, что один из важных аспектов заключается в изменении нейронных путей во времени в культуре между электродами, регистрирующими стимуляцию. Обучение и исследования памяти, как правило, находятся на ранней стадии. Однако с течением времени эффективность работы робота улучшается с точки зрения его способности избегать стенок в том смысле, что нейронные пути, которые приводят к удовлетворительному действию, имеют тенденцию усиливаться исключительно через процесс привычного выполнения - обучение по привычке. Однако число перемешивающих переменных является значительным, и процесс пластичности, который происходит в течение длительного времени, зависит (скорее всего) от таких факторов, как начальный посев и рост вблизи электродов, а также переходные процессы в окружающей среде, такие как температура и влажность.
Обучение через подкрепление - поощрение хороших поступков и наказание за плохие поступки — это гораздо больше исследовательская работа в настоящее время. Во многих случаях культура реагирует так, как ожидалось, в других случаях - нет, а в некоторых случаях подает сигнал двигателя, когда этого не ожидается. Но намеренно ли оно принимает решение, отличное от того, которого ожидается? Нельзя сказать можем сказать.
Что касается робототехники, то эти исследования показали, что робот может успешно использовать биологический мозг для принятия всех своих "решений". Размер 150,000 нейронов просто обусловлен современными ограничениями описанных экспериментов. Действительно, трехмерные структуры уже изучаются. Эта область научных исследований стремительно расширяется. Увеличивается не только количество культивируемых нейронов, но и диапазон сенсорного входа, который теперь включает в себя аудио, инфракрасный и даже визуальный компоненты. Такое богатство стимулов, несомненно, окажет огромное воздействие на развитие культуры. Потенциал таких систем, включая спектр задач, с которыми они могут справиться, также означает, что их физическое тело может принимать различные формы.
Очевидно, что, когда этот мозг состоит из миллиардов нейронов, необходимо будет задать множество социальных и этических вопросов. Например - Если мозг робота имеет примерно такое же количество нейронов, как и обычный человеческий мозг, то он может/должен иметь те же права, что и человек? А что, если бы у таких существ было гораздо больше нейронов, чем в обычном человеческом мозгу, - например, в миллион раз больше, - они бы принимали все будущие решения, а не обычные люди?
