Wie moderne Roboter entwickelt werden:„Menschliche Cyborgs werden alltäglich“

Heute entwickeln sich Neurowissenschaft und Robotik Hand in Hand. Mikhail Lebedev, akademischer Betreuer am Center for Bioelectric Interfaces der HSE University, sprach darüber, wie die Untersuchung des Gehirns die Entwicklung von Robotern inspiriert.

Roboter sind interessant für Neurowissenschaften und Neurowissenschaften sind interessant für Roboter – darum ging es in dem Artikel „Neuroengineering challenges of fusing robotics and neuroscience“ in der Zeitschrift Science Robotics .

Eine solche gemeinsame Entwicklung trägt zum Fortschritt in beiden Bereichen bei und bringt uns der Entwicklung fortschrittlicherer Android-Roboter und einem tieferen Verständnis der Struktur des menschlichen Gehirns näher. Und teilweise biologische Organismen mit Maschinen zu kombinieren, um kybernetische Organismen (Cyborgs) zu schaffen.

Neurowissenschaften für Roboter

Roboter ähneln in ihrer Beschaffenheit oft Menschen. Dies gilt für Roboter, die menschliche Handlungen und Verhaltensweisen nachahmen sollen – Neurowissenschaften sind für Industriemaschinen weniger wichtig.

Das Naheliegendste beim Design eines Roboters ist, ihn menschlich aussehen zu lassen. Roboter haben oft zwei Arme, zwei Beine und einen Kopf, auch wenn es aus technischer Sicht nicht notwendig ist. Dies ist besonders wichtig, wenn der Roboter mit Menschen interagiert – einer Maschine, die wie wir aussieht, kann man leichter vertrauen.

Es kann sichergestellt werden, dass nicht nur das Aussehen, sondern auch das „Gehirn“ des Roboters dem eines Menschen ähnelt. Bei der Entwicklung der Mechanismen zur Wahrnehmung, Informationsverarbeitung und Steuerung lassen sich Ingenieure von der Struktur des menschlichen Nervensystems inspirieren.

Beispielsweise ahmen die Augen eines Roboters – Fernsehkameras, die sich auf verschiedenen Achsen bewegen können – das menschliche Sehsystem nach. Basierend auf dem Wissen, wie das menschliche Sehen aufgebaut ist und wie das visuelle Signal verarbeitet wird, konstruieren die Ingenieure die Sensoren des Roboters nach denselben Prinzipien. So kann dem Roboter zum Beispiel die menschliche Fähigkeit verliehen werden, die Welt dreidimensional zu sehen.

Menschen haben einen vestibulookulären Reflex:Die Augen stabilisieren sich mithilfe von vestibulären Informationen, wenn wir uns bewegen, wodurch wir die Stabilität des Bildes, das wir sehen, aufrechterhalten können.

Es kann auch Beschleunigungs- und Orientierungssensoren am Körper eines Roboters geben. Diese helfen dem Roboter, Körperbewegungen zu berücksichtigen, um die visuelle Wahrnehmung der Außenwelt zu stabilisieren und die Agilität zu verbessern.

Darüber hinaus kann ein Roboter den Tastsinn genauso erfahren wie ein Mensch – ein Roboter kann Haut haben, er kann sich anfühlen. Und dann bewegt es sich nicht nur zufällig im Raum:Berührt es ein Hindernis, spürt es dies und reagiert darauf wie ein Mensch. Es kann diese künstlichen taktilen Informationen auch verwenden, um Objekte zu greifen.

Roboter können sogar Schmerzempfindungen simulieren:Manche Formen des Körperkontakts fühlen sich normal an, andere verursachen Schmerzen, was das Verhalten des Roboters drastisch verändert. Es beginnt, Schmerzen zu vermeiden und neue Verhaltensmuster zu entwickeln, dh es lernt – wie ein Kind, das sich zum ersten Mal an etwas Heißem verbrannt hat.

Nicht nur die Sensorik, auch die Körpersteuerung eines Roboters lässt sich analog zu der des Menschen gestalten. Beim Menschen wird das Gehen von sogenannten zentralen Rhythmusgeneratoren gesteuert – spezialisierten Nervenzellen, die die autonome motorische Aktivität steuern sollen. Es gibt Roboter, bei denen die gleiche Idee zur Steuerung des Gehens verwendet wird.

Außerdem können Roboter von Menschen lernen. Ein Roboter kann auf unendlich viele Arten Aktionen ausführen, aber wenn er einen Menschen nachahmen möchte, muss er den Menschen beobachten und versuchen, seine Bewegungen zu wiederholen. Wenn es Fehler macht, vergleicht es sich damit, wie ein Mensch die gleiche Aktion ausführt.

Roboter für Neurowissenschaften

Wie kann die Neurowissenschaft Roboter einsetzen? Wenn wir ein Modell eines biologischen Systems bauen, beginnen wir, die Prinzipien, nach denen es funktioniert, besser zu verstehen. Daher bringt uns die Entwicklung von mechanischen und Computermodellen der Bewegungssteuerung des menschlichen Nervensystems dem Verständnis neurologischer Funktionen und Biomechanik näher.

Und der vielversprechendste Bereich für den Einsatz von Robotern in der modernen Neurowissenschaft ist die Entwicklung von Neurointerfaces – Systemen zur Steuerung externer Geräte mithilfe von Gehirnsignalen. Neurointerfaces sind notwendig für die Entwicklung von Neuroprothesen (z. B. ein künstlicher Arm für Menschen, die ein Glied verloren haben) und Exoskeletten – äußere Rahmen oder Skelette für einen menschlichen Körper, um seine Kraft zu steigern oder verlorene motorische Fähigkeiten wiederherzustellen.

Ein Roboter kann über eine bidirektionale Schnittstelle mit dem Nervensystem interagieren:Das Nervensystem kann ein Befehlssignal an den Roboter senden, und der Roboter kann von seinen Sensoren sensorische Informationen an den Menschen zurücksenden, was echte Empfindungen hervorruft, indem er Nerven und Nervenenden stimuliert in der Haut oder im sensorischen Cortex selbst.

Solche Feedback-Mechanismen ermöglichen es, das Gefühl eines verloren gegangenen Gliedes wiederherzustellen. Sie sind auch für präzisere Bewegungen der Robotergliedmaßen erforderlich, da wir unsere Bewegungen auf der Grundlage der von den Armen und Beinen empfangenen sensorischen Informationen korrigieren.

Hier stellt sich eine interessante Frage:Sollen wir alle Freiheitsgrade des Roboters über eine neuronale Schnittstelle steuern? Mit anderen Worten, wie sollen wir bestimmte Befehle an ihn senden?

Beispielsweise können wir dem Roboterarm „befehlen“, eine Flasche Wasser aufzuheben, und er führt bestimmte Aktionen aus:Er senkt seinen Arm, dreht ihn und öffnet und ballt die Finger seiner Hand – alles von alleine.

Dieser Ansatz wird als kombinierte Steuerung bezeichnet – wir geben einfache Befehle über eine neuronale Schnittstelle, und eine spezielle Steuerung im Roboter wählt die beste Strategie für die Umsetzung aus.

Oder wir können einen Mechanismus erstellen, der den Befehl „Nimm die Flasche“ nicht versteht:Es müssen Informationen über bestimmte, detaillierte Bewegungen gesendet werden.

Aktuelle Studien

Neurowissenschaftler und Roboterwissenschaftler untersuchen verschiedene Aspekte der Gehirnoperation und Robotergeräte. Zum Beispiel habe ich an der Duke University Experimente mit neuronalen Schnittstellen an Affen durchgeführt, da Schnittstellen direkt mit Gehirnbereichen verbunden sein müssen, damit sie genau funktionieren, und solche experimentellen Eingriffe bei Menschen nicht immer möglich sind.

In einer meiner Studien ging ein Affe einen Weg entlang und die Aktivität seines motorischen Kortex, der für die Beinbewegung verantwortlich ist, wurde gelesen und veranlasste einen Roboter, mit dem Gehen zu beginnen. Gleichzeitig beobachtete der Affe diesen Laufroboter auf einem davor platzierten Bildschirm.

Der Affe nutzte Feedback, also korrigierte er seine Bewegungen basierend auf dem, was er auf dem Bildschirm sah. So werden die effektivsten neuronalen Schnittstellen zur Implementierung des Gehens entwickelt.

Die kybernetische Zukunft

Diese Forschung führt uns zu innovativen Entwicklungen in der Zukunft. Beispielsweise scheint die Schaffung eines Exoskeletts zur Wiederherstellung der Bewegungen von vollständig gelähmten Menschen keine unerreichbare Fantasie mehr zu sein – es braucht nur Zeit.

Der Fortschritt mag durch die fehlende Computerleistung gebremst werden, aber auch hier war die Entwicklung in den letzten zehn Jahren enorm. Es ist wahrscheinlich, dass wir bald Menschen um uns herum sehen werden, die leichte, bequeme Exoskelette anstelle von Rollstühlen oder Kinderwagen benutzen, um sich fortzubewegen.

Menschliche Cyborgs werden alltäglich werden.

Die kommerzielle Entwicklung solcher Systeme findet auf der ganzen Welt statt, einschließlich in Russland. Beispielsweise entwickelt das berühmte ExoAtlet-Projekt Exoskelette für die Rehabilitation von Menschen mit motorischen Behinderungen.

Das HSE Center for Bioelectric Interfaces war an der Entwicklung von Algorithmen für diese Maschinen beteiligt:​​Center Head, Professor Alexey Ossadtchi, und seine Doktoranden entwickelten ein Neurointerface, das die Gehbewegungen des Exoskeletts auslöst.

Auch die rasante Entwicklung humanoider Roboter wird Realität. Es ist wahrscheinlich, dass wir bald Roboter haben werden, die uns in vielerlei Hinsicht nachahmen – sich wie wir bewegen und wie wir denken. Sie werden in der Lage sein, einige der Arbeiten zu erledigen, die zuvor nur Menschen vorbehalten waren.

Offensichtlich werden wir die Entwicklung sowohl der Robotik als auch der Neurowissenschaften sehen, und diese Bereiche werden zusammenlaufen. Dies eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten, sondern wirft auch neue ethische Fragen auf, etwa wie wir mit Android-Robotern oder menschlichen Cyborgs umgehen sollten.

Und doch sind Menschen bisher in vielerlei Hinsicht besser als Roboter. Unsere Muskeln sind am sparsamsten:Essen Sie ein Sandwich und Sie haben genug Energie für den ganzen Tag. Der Roboter wird in einer halben Stunde eine leere Batterie haben.

Und obwohl es viel mächtiger sein mag als ein Mensch, ist es oft zu schwer. Wenn es um Eleganz und Optimierung der Energiekapazität geht – bisher ist der Mensch dem Roboter immer noch überlegen.

Das wird sich in absehbarer Zeit ändern – Zehntausende talentierte Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten an diesem Ziel.

Von unserer Partner-Website Science and Technology News