Биотехнологии, биоинженерия, генетика, живые компьютеры и синтетическая биология, — все это я часто использую в своих книгах из цикла «Стальные Волки». Да, конечно, роботы-тараканы с живыми мозгами, искусственно выращенной нервной системой, кожным покрытием, еще и в сочетании с электроникой, — это фантастика. Но действительно ли дела обстоят именно так или это возможный вариант развития нынешних биотехнологий? Давайте разберем что происходит в данном направлении в наше время.
В этой статье буду ссылаться на некоторые эпизоды в своих книгах, чтобы показать, на какие данные я опирался при создании мира «Стальных Волков». И, прочитав эту статью, вы сможете связать воедино отдельные технологии, представив мир будущего таким, ― каким увидел его я. Итак, поехали!
Еще 60 лет назад была вручена Нобелевская премия за использование электродов для выявления механизма распространения нервного импульса с помощью ионных токов. Именно с этого момента родилась идея биокомпьютера, роль процессора в котором выполняли бы живые нейроны. С тех пор дело особо не продвинулось, хотя есть и некоторые успехи.
По всему миру существует очень много команд, которые занимаются данным направлением, и с каждым годом их становится все больше. Так как же физически выглядят попытки создать биокомпьютер?
Сильно вдаваться в подробности не буду, но надеюсь, что расскажу достаточно для понимания. Итак, простейший биокомпьютер устроен следующим образом. Для начала создают подложку в чашке Петри, состоящую из платы, на которой размещены электроды, имеющие толщину тоньше человеческого волоса. Плату подключают к компьютеру или к исполнительному устройству, и чем больше электродов, тем более чувствительная получится схема. Далее эта чашка заполняется питательным раствором, в который помещают культуру из живых нейронов. Эта культура начинает расти и заполнять собой пространство. Такую культуру называют органоидом мозга.
На рисунках ниже изображены примеры таких органоидов.
Да, да, вот эти невзрачные кляксы и есть мозги в миниатюре.
Далее органоид определенным образом стимулируют электрическими и световыми импульсами, возбуждая нейроны и заставляя их создавать связи между собой. А после происходит обучение получившейся системы под конкретные задачи.
Работа такой системы выглядит следующим образом. С компьютера или исполнительного устройства приходят сигналы через электроды или с помощью световых пучков, нейроны принимают эти входные сигналы, точно так же, как и сигналы с нервных окончаний нашего тела, и в ответ выдают серию электрических импульсов. Электроды улавливают эти импульсы и передают их на компьютер, который интерпретирует их в выполнение той или иной команды. Перечислю несколько примеров.
В 2021 году команда Cortical Labs создала свой биокомпьютер DishBrain, в котором использовались нейроны крысы и очень плотное размещение электродов. Команда смогла научить этот биокомпьютер играть в «Понг». Цель команды ― создать живые чипы, которые смогут решать те же задачи, что и машинный искусственный интеллект. Ниже увеличенное изображение небольшого участка DishBrain.
А вот другая команда из Университета Иллинойса собирает живые компьютеры для того, чтобы в будущем они смогли управлять роботами (здесь я напомню о разведывательных комплексах «Таракан», «Довосеках» и «Волках», описанных в моих книгах). Вот как он у них выглядит.
А вот, например, Томас ДеМарс вырастил органоид мозга, который он научил управлять симулятором американского истребителя F-22 в качестве пилота. Кто-то пытается использовать бабушкины нейроны (нейрон, который в одиночку узнает того или иного человека), создавая универсальные системы распознавания образов. А кто-то пытается сделать датчики газов на основе нейронов, которые в разы чувствительнее, чем цифровые аналоги (опять же отсылка к первой книге «Рождение Земной Федерации», где главный герой создает именно такие датчики). Подобных проектов очень много, и я не затронул целый пласт медицинского использования.
В общем, ученые развлекаются как могут, но почему такое внимание к живым нейронным сетям, когда уже есть ChatGPT? Ответ лежит в самом свойстве живых нейроструктур.
Живые нейронные сети, такие как человеческий мозг, легко переключаются с одной задачи на другую. Могут использовать накопленный опыт для решения новых задач и способны принимать решения в условиях неопределенности. При этом они потребляют ничтожно мало энергии, по сравнению с электронными устройствами, и способны функционировать, даже получив серьезные повреждения.
Структура мозга трехмерная и в этом огромное преимущество. Один нейрон может иметь тысячи связей с другими нейронами, и поэтому он участвует в различных, не связанных между собой задачах. Поэтому вычислительные возможности нейронных структур на порядки выше, чем любые физические или цифровые аналоги, при пересчете затрат энергии на единицу объема.
Если говорить о железе, то кремниевые процессоры не смогут подобраться к таким возможностям, а цифровые нейронные сети требуют просто колоссальных вычислительных и энергетических мощностей для своей работы.
И еще одна значительная особенность живых нейронных сетей, — это на порядки более быстрое обучение по сравнению с цифровыми аналогами. Для того же ChatGPT требуются вычислительные кластеры, занимающие какие-то невообразимые площади, исчисляемые десятками квадратных километров. И все это для того, чтобы обучить нейронную сеть, и чем умнее она становится, тем больше требуется. Intel, например, собирается строить отдельный супер мега вычислительный кластер со своей атомной электростанцией. Все это может заменить органоид размером с крысиный мозг, если его должным образом обучить, дать доступ в интернет и кормить его семечками.
Да, проблем для создания нормально действующих моделей полно. Основная из них, — это плоские органоиды, которые получаются в той же чашке Петри. А как я уже говорил выше, именно объёмная структура нейронных сетей дает преимущество. И это пытаются решить созданием специальных форм, чтобы распределить нейроны в объеме.
Если ученым удастся довести эту технологию до ума, то мы получим идеальные мозги для робототехники, причем для разных форм. Биокомпьютер на живых нейронах идеально для этого подходит, так как миллионами лет вырабатывался механизм управления телом, начиная от червя и заканчивая человеком. Чтобы обеспечить такую же подвижность и мгновенную реакцию на изменения в окружающей среде, к роботу нужно подключать суперкомпьютер, внутри которого должна работать цифровая нейронная сеть. Поэтому об автономности и работе в условиях отсутствия внешних сигналов управления речи быть не может.
В общем, если вам нужен робот, максимально приближенный к человеку по устройству тела и подвижности, способный длительное время выполнять поставленную задачу на незнакомой местности, то установите ему в голову органоид мозга размером с теннисный шарик (именно таким путем я и пошел, придумывая робототехнику в цикле «Стальные Волки»).
Еще одно интересное направление в изучении живых нейронов — это имплантация, и сейчас поймете почему. Я уже сказал, что в нынешнее время одной из проблем искусственно выращенных органоидов мозга является их плоская структура, когда как в нормальных условиях они занимают объем. Поэтому ученые решили данную проблему путем подсадки органоида, состоящего из человеческих нейронов, в мозг новорожденной крысы, где он благополучно прижился. Органоид разросся и стал взаимодействовать с нейронами крысиного мозга, действуя как одно целое.
На МРТ крысиного мозга более светлым светится органоид из человеческих нейронов. Вам ничего не напоминает? Да, это именно те самые биоимпланты, которые упоминаются чуть ли не в каждом фантастическом рассказе. И мои книги не исключение, ― подобный имплант Михаил Волков получил во время комы.
Конечно, этот органоид - просто хаотичная структура, которая показывает лишь саму возможность подобной технологии, поэтому нам не хватает еще одного кирпичика, чтобы картина сложилась полностью, а именно, ― синтетической биологии.
Синтетическая биология ― еще одно направление, которое выглядит как настоящая магия. Данное направление в биологии занимается проектированием и созданием биологических систем с заданными свойствами и функциями, в том числе и не имеющих аналогов в природе. Синтетическая биология схожа с генной инженерией, но, в отличие от последней, где занимаются перемещением отдельных генов между организмами, синтетическая биология занимается созданием полностью искусственного генома, что равносильно созданию организмов на любой вкус и цвет.
Изюминка заключается в том, что в синтетической биологии полностью инженерный подход. А процесс создания выглядит, как написание кода программы. У инженера есть набор стандартных операторов, генетических триггеров и осцилляторов (последовательность генов), только входящими и выходящими сигналами у них являются не электрический ток, а ферменты.
Далее инженер создает блок-схему из этих операторов, чтобы добиться требуемого функционала организма. Компилирует то, что у него вышло и на выходе получает буквенную последовательность ДНК. Ниже интерфейс языка программирования живых организмов Cello.
Если коротко, то, сидя за компьютером, вы можете запрограммировать будущую синтетическую клетку или бактерию на выполнение определенных функций или зашить в них обладание определёнными свойствами. Далее цифровая последовательность генов отправляется в специальную машину, где эта последовательность собирается в реальную ДНК.
После того как у вас есть ДНК, она внедряется в очищенную от собственного ДНК клетку или бактерию и все, ― новый организм готов. Имея новые ДНК инструкции, клетка или бактерия переделает себя сама. По сути, сейчас инженеры могут создавать биомашины. Примеры некоторых таких искусственно созданных машин приведены ниже.
Таким образом, можно создавать и биокомпьютеры, но других типов, основанные на запрограммированных химических процессах внутри клеток, и подобные компьютеры уже существуют. Они уступают по производительности и нейронам, и кремнию, но применить их в простейших низкоэнергетических устройствах, где не требуется скорость вычисления, самое то.
Простой пример практического применения данной технологии. Допустим, вы собрались на отдых в африканские страны, где бушует Малярия. Вам вводят не вакцину от Малярии, а колонию синтетических бактерий, которые нацелены на уничтожение протистов (простейшие клетки, которые и являются причиной болезни). Кроме этого, у этих бактерий отключен механизм размножения и заложен таймер на запуск апоптоза (запрограммированная смерть клетки) через месяц, когда вы вернетесь домой.
Или запрограммировать клетки кожи на изменение цвета при определенном воздействии, и вы получите живой экран прямо у вас на руке. Или создать бактерии, которые будут перерабатывать пластик. Тут можно фантазировать бесконечно, мы получаем безграничный инструмент для создания живых организмов с нужной нам функциональностью. Кстати, именно синтетическая биология помогла создать вакцину от COVID-19.
И в заключение.
Сегодня ученые пытаются связать живые нейроны и электронику для совместной работы. А функционал получившихся устройств в основном направлен в сторону робототехники.
Происходят попытки имплантации искусственно выращенных нейронных структур прямо в действующий мозг, и они благополучно приживаются. А если сюда добавить возможность программировать эти нейронные структуры (органоиды) под определенный функционал с помощью синтетической биологии, то в перспективе можем получить полноценные биокомпьютеры (нейросети из фантастических книг) в нашем мозгу.
С помощью языка программирования создаются искусственные организмы с заданными параметрами функционирования, не имеющие аналогов в природе и больше подходящие под определение, ― биомашины. В будущем эта технология позволит создавать просто невообразимые вещи и даже живые космические корабли.
Развитие описанных выше технологий, как по отдельности, так и совместно, может дать представление о возможном будущем, а также делает мир «Стальных Волков» не таким уж и фантастическим.
Моя страница на ЛитРес, где можно приобрести книги: