Ума палата и ловкость рук: роботы становятся похожи на людей

Фото: Глеб Щелкунов / Коммерсантъ

Летом этого года команда исследователей из Тяньцзиньского университета и Южного университета науки и технологий (Китай) анонсировала создание робота с мозгом, выращенным в лаборатории из человеческих стволовых клеток. Это одна из первых разработок гибридной системы, где роботом непосредственно управляет биологическая ткань.
Искусственный мозг построен на основе технологии органоидов — это миниатюрные трехмерные структуры, выращенные из так называемых плюрипотентных стволовых клеток человека. Такие клетки могут превращаться в различные типы тканей, включая нервные клетки.
Сами по себе органоиды не новость для науки. Идея создания искусственного мозга на основе стволовых клеток активно развивается последние 15 лет. Так, в 2013 году группа австрийских ученых впервые создала органоиды, имитирующие ранние стадии развития человеческого мозга. Разработка открыла новые возможности для изучения нейродегенеративных заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера, и тестирования лекарств без необходимости проведения экспериментов на людях. Сегодня в мире выращены уже тысячи органоидов мозга для исследований.
Китайская команда сделала шаг вперед, интегрировав органоиды с робототехнической системой. Они объединили органоид с чипом — нейронным интерфейсом, который позволяет «мозгу» общаться с внешними устройствами. Чип считывает электрические сигналы от клеток мозга и преобразует их в команды, которые понимает робот. То есть искусственный мозг реально управляет движениями машины: робот может двигать руками-ногами, избегать препятствий и захватывать объекты.

Многие представляют органоиды как миниатюрные версии органов, например мозга, плавающие в пробирке. Однако на самом деле органоиды — упрощенные модели, которые воспроизводят лишь ключевые функции. Например, органоиды мозга могут моделировать нейронные связи и электрическую активность, но пока не способны воспроизводить сложные когнитивные функции — память, интеллект, речь.
Создание и развитие органоида занимает от нескольких недель до нескольких месяцев. В лабораторных условиях он действительно «живет» в своего рода пробирке — в инкубаторе при температуре около 37°C. Такая среда поддерживает оптимальные условия для роста и функционирования клеток. Важны также определенная влажность и уровень углекислого газа — такие же, как в организме человека.
Питательная среда, в которой сидит органоид, регулярно обновляется. Она включает глюкозу, аминокислоты, витамины и факторы роста, необходимые для поддержания жизни клеток.
Когда искусственный орган достигает нужной стадии развития, его переносят на микрофлюидный чип — миниатюрное устройство с сетью крошечных каналов для подачи питательных веществ и удаления отходов. Эти каналы имитируют кровеносную систему, поддерживая органоид в живом состоянии. Встроенные электроды фиксируют активность нейронов и передают ее в виде сигналов, которые используются для управления роботами.

Проекты по созданию органоидов на чипе активно идут в разных странах, включая США, Китай, Австрию. Однако, несмотря на успехи, проблем тоже навалом. Во-первых, органоиды пока не достигают полной зрелости, что ограничивает их применение для изучения таких сложных процессов, как когнитивные функции взрослого мозга. Во-вторых, поддержание их жизнеспособности требует постоянного снабжения питательными веществами и точного контроля условий среды, что остается сложной технической задачей.
Вопросы этики также сильно волнуют общество. Могут ли органоиды мозга, развивающие определенную нейронную активность, когда-либо достичь уровня осознанности? Думать, помнить, говорить? Хотя сейчас это кажется маловероятным, кто знает, что будет через 10 или 50 лет.
Эти опасения подогреваются тем, что научные достижения в этой области происходят намного быстрее, чем развиваются правовые нормы, регулирующие вопросы применения новых технологий. Некоторые ученые предлагают уже сейчас ввести этические рамки для исследований, чтобы избежать возможных злоупотреблений.

Думающая машина — это хорошо, но тогда и выглядеть она должна как человек. Японские ученые из Университета Токио первыми смогли пересадить живую человеческую кожу на робота. Они работали над этим 10 лет.
Раньше специалисты использовали различные искусственные материалы для имитации кожи. Эти покрытия, сделанные из тонких полимерных слоев, реагировали на давление и изменения температуры, но имели множество недостатков: плохо растягивались, не восстанавливались при повреждениях и выглядели не слишком реалистично. Увидишь такого робота с кожаной маской на лице — испугаешься! И улыбаться он совсем не умел.
Японские ученые вырастили клетки кожи человека в форме лица и пересадили на робота. И он научился радоваться жизни и выражать другие эмоции. Это первая успешная интеграция настоящей человеческой кожи с робототехническими системами, и она открывает новые перспективы для создания более естественных и функциональных машин. 
Живая кожа обладает сенсорными свойствами, что позволяет роботу ощущать давление, текстуру и другие физические параметры, подобно человеческой коже. Если такую кожу нарастить не только на лицо, но и на руки, роботы смогут лучше управлять мельчайшими движениями и более точно взаимодействовать с объектами. Такие работы ученые также проводят.

Даже самые продвинутые роботы пока не способны вдеть нитку в узкое ушко иголки, повернутое под разными углами, или аккуратно поднять бокал с шампанским. Ученые продолжают работать над улучшением координации движений и тактильных способностей машин.
Одно из ключевых направлений — разработка механических рук с высокой чувствительностью. Это не пересадка живых тканей, а создание искусственных материалов, которые могут имитировать функции живых тканей.
Недавно исследователи из Бристольского университета (Великобритания) представили свои достижения в этой области. Они разработали роботизированную руку, оснащенную тактильными сенсорами, которые позволяют роботу ощущать давление, текстуру и температуру объектов. Эта рука способна выполнять сложные манипуляции — удерживать хрупкие предметы и работать с мелкими деталями, вращая объекты с высокой точностью. Четырехпалая рука, созданная с помощью 3D-печати, может работать даже в перевернутом положении, что стало важным шагом в области робототехники.
В 2019 году OpenAI первой продемонстрировала возможности подобной руки, но ее система была сложной и очень дорогой. Команда из Университета Бристоля поставила цель достичь аналогичных результатов более доступными и дешевыми методами.
Исследователи смогли наделить роботов «ощущением прикосновения». Сенсоры, созданные с использованием технологий камер для смартфонов, настолько малы, что помещаются в кончиках пальцев робота. Следующий шаг — научить машину выполнять еще более сложные задачи — собирать конструкции из Lego или вдевать нитку в иголку.