現代のロボットの開発方法：「人間のサイボーグは当たり前になる」

今日、神経科学とロボット工学は手を取り合って発展しています。 HSE大学の生物電気インターフェースセンターのアカデミックスーパーバイザーであるMikhailLebedevは、脳の研究がロボットの開発にどのように影響を与えるかについて話しました。

ロボットは神経科学に興味があり、神経科学はロボットに興味があります。これは、ジャーナル Science Roboticsの記事「ロボット工学と神経科学の融合の神経工学的課題」に関するものです。 。

このような共同開発は、両方の分野での進歩に貢献し、より高度なアンドロイドロボットの開発に近づき、人間の脳の構造をより深く理解できるようになります。そして、ある程度、生物と機械を組み合わせて、サイバネティック生物（サイボーグ）を作成します。

ロボットの神経科学

ロボットは、その構成が人間に似ていることがよくあります。これは、人間の行動や行動を模倣することを目的としたロボットにも当てはまります。神経科学は、産業機械にとってそれほど重要ではありません。

ロボットの設計で使用する最も明白なことは、ロボットを人間のように見せることです。ロボットは、エンジニアリングの観点からは必要ない場合でも、多くの場合、2つの腕、2つの脚、および1つの頭を持っています。これは、ロボットが人と対話するときに特に重要です。私たちのように見えるマシンの方が信頼しやすいのです。

ロボットの見た目だけでなく、「脳」も人間の脳に似ていることを確認することができます。知覚、情報処理、制御のメカニズムを開発する際、エンジニアは人間の神経系の構造に触発されます。

たとえば、ロボットの目（さまざまな軸上を移動できるテレビカメラ）は、人間の視覚系を模倣しています。人間の視覚がどのように構成され、視覚信号がどのように処理されるかについての知識に基づいて、エンジニアは同じ原理に従ってロボットのセンサーを設計します。このようにして、ロボットは、たとえば、世界を3次元で見る人間の能力を身に付けることができます。

人間には前庭動眼反射があります。目は、動くときに前庭情報を使用して安定化を適用し、私たちが見る画像の安定性を維持できるようにします。

ロボットの本体に加速度センサーと方向センサーがある場合もあります。これらは、ロボットが体の動きを考慮に入れて、外界の視覚を安定させ、敏捷性を向上させるのに役立ちます。

さらに、ロボットは人間のように触覚を体験することができます。ロボットは皮膚を持つことができ、触ることができます。そして、それは空間内をランダムに移動するだけではありません。障害物に触れると、人間と同じようにそれを感知して反応します。また、この人工的な触覚情報を使用してオブジェクトをつかむこともできます。

ロボットは、痛みの感覚をシミュレートすることもできます。ある種の物理的接触は正常に感じられ、ある種は痛みを引き起こし、ロボットの行動を劇的に変化させます。痛みを避け、新しい行動パターンを発達させ始めます。つまり、初めて熱いものに火傷を負った子供のように、学習します。

感覚システムだけでなく、ロボットの体の制御も人間と同じように設計できます。人間の場合、歩行はいわゆる中央リズムジェネレーター（自律運動を制御するように設計された特殊な神経細胞）によって制御されます。同じアイデアを使って歩行を制御するロボットもあります。

さらに、ロボットは人間から学ぶことができます。ロボットはさまざまな方法でアクションを実行できますが、人間を模倣したい場合は、人間を観察して動きを繰り返す必要があります。間違いを犯すと、人間が同じ行動をとる方法と比較されます。

神経科学用ロボット

神経科学はどのようにロボットを使うことができますか？生物学的システムのモデルを構築するとき、それが機能する原理をよりよく理解し始めます。したがって、人間の神経系の動きを制御する機械モデルとコンピューターモデルを開発することで、神経機能と生体力学の理解に近づくことができます。

そして、現代の神経科学でロボットを使用する最も有望な分野は、脳信号を使用して外部デバイスを制御するためのシステムであるニューロインターフェースの設計です。ニューロインターフェースは、ニューロプロテーゼ（たとえば、手足を失った人のための人工腕）と外骨格（人体の強度を高めたり、失われた運動能力を回復するための外部フレームまたはスケルトン）の開発に必要です。

ロボットは双方向インターフェースを介して神経系と相互作用できます。神経系はロボットにコマンド信号を送信でき、センサーからのロボットは感覚情報を人間に返し、神経や神経終末を刺激することで本物の感覚を引き起こします。皮膚、または感覚皮質自体に。

このようなフィードバックメカニズムにより、手足が失われた場合に手足の感覚を回復することができます。また、腕や脚から受け取った感覚情報に基づいて動きを修正するため、ロボットリムのより正確な動きにも必要です。

ここで発生する興味深い質問があります。ニューラルインターフェイスを介してロボットのすべての自由度を制御する必要がありますか？つまり、特定のコマンドをどのように送信する必要がありますか？

たとえば、ロボットアームに水のボトルを拾うように「注文」すると、特定の操作が実行されます。つまり、腕を下げて回し、手で指を緩めたり握ったりします。すべて自分で行います。

このアプローチは複合制御と呼ばれます。ニューラルインターフェイスを介して簡単なコマンドを実行し、ロボット内の特別なコントローラーが実装に最適な戦略を選択します。

または、「ボトルを取る」コマンドを理解しないメカニズムを作成することもできます。特定の詳細な動きに関する情報を送信する必要があります。

現在の研究

神経科学者とロボット科学者は、脳の操作とロボット装置のさまざまな側面を研究しています。たとえば、デューク大学では、サルの神経インターフェースを使って実験を行いました。これは、サルが正確に機能するためには、インターフェースを脳の領域に直接接続する必要があり、そのような実験的介入が人間に対して常に実行できるとは限らないためです。

私の研究の1つでは、サルが小道を歩いていて、脚の動きに関与する運動皮質の活動が読み取られ、ロボットが歩き始めました。同時に、サルはその前に置かれたスクリーンでこの歩行ロボットを観察しました。

サルはフィードバックを使用したため、画面に表示された内容に基づいて動きを修正しました。これが、歩行を実装するための最も効果的なニューラルインターフェイスの開発方法です。

サイバネティックの未来

そのような研究は、将来の革新的な発展につながります。たとえば、完全に麻痺した人々の動きを復元するために外骨格を作成することは、もはや達成不可能なファンタジーのようには見えません。時間がかかるだけです。

コンピュータの能力の欠如によって進歩が妨げられるかもしれませんが、過去10年間の開発もここで巨大です。車椅子やベビーカーではなく、軽くて快適な外骨格を使って周りの人がすぐに見かけるようになるでしょう。

人間のサイボーグは当たり前になるでしょう。

このようなシステムの商業開発は、ロシアを含む世界中で行われています。たとえば、有名なExoAtletプロジェクトは、運動障害を持つ人々のリハビリテーションのための外骨格を開発しています。

HSE生体電気インターフェースセンターは、これらのマシンのアルゴリズムの開発に参加しました。センターヘッド、Alexey Ossadtchi教授、および彼の博士課程の学生は、外骨格の歩行運動をトリガーするニューロインターフェースを開発しました。

ヒューマノイドロボットの急速な発展も現実のものになりつつあります。私たちのように動き、私たちのように考えるなど、多くの点で私たちを模倣して歩き回るロボットが間もなく登場する可能性があります。以前は人間しか利用できなかった作業の一部を実行できるようになります。

明らかに、ロボット工学と神経科学の両方の発展が見られ、これらの分野は収束するでしょう。これにより、新しい機会が開かれるだけでなく、人造人間のロボットや人間のサイボーグをどのように扱うべきかなど、新しい倫理的な質問が生まれます。

それでも、これまでのところ、人間は多くの点でロボットよりも優れています。私たちの筋肉は最も経済的です。サンドイッチを食べると、一日中十分なエネルギーが得られます。ロボットは30分でバッテリーが切れます。

そして、それは人間よりもはるかに強力かもしれませんが、それはしばしば重すぎます。エレガンスとエネルギー容量の最適化に関しては、これまでのところ、人間はロボットよりも優れています。

これが変わるのはそう遠くない未来です。何万人もの才能のある科学者やエンジニアがこの目標に向かって取り組んでいます。

パートナーのウェブサイト、Science andTechnologyNewsから