Алита в стране киберчудес

Фильм «Алита: Боевой ангел» (2019 г.), снятый режиссером Робертом Родригесом и основанный на популярной японской манге, не только демонстрирует, насколько кинематограф продвинулся в создании спецэффектов и компьютерной графики, но и затрагивает несколько сложных и интересных с научной точки зрения проблем. В фильме чуть ли не все персонажи — киборги с искусственными конечностями или даже целыми телами. Вместе с нашими экспертами Василием Коноваловым из лаборатории нейронных сетей и глубокого обучения МФТИ и Андреем Новиковым из лаборатории нейроробототехники МФТИ разбираемся, чем киборги отличаются от роботов и насколько мы близки к эпохе тотального трансгуманизма.

 

Едят ли киборги?

Неинвазивные электроды располагаются на поверхности кожи в местах, где есть мускулатура конечности, или на голове человека. Такой способ управления не обладает стопроцентной вероятностью правильного распознавания сигналов и имеет временные задержки. Тем не менее из-за простоты в использовании и безопасности большинство коммерческих протезов рук управляется от сигналов с поверхности кожи.

Нейроинтерфейсы (системы для обмена информацией между мозгом и компьютером) на основе инвазивных, имплантируемых непосредственно в периферические нервы или мозг электродов обладают большей точностью в снятии сигналов, потому что получают их прямо с периферических нервов. Также они, вероятно, позволят в будущем создать обратную связь от датчиков бионического протеза к центральной нервной системе. Это означает, что, как и в фильме, однажды такие конечности смогут дать своим владельцам чувствительность к прикосновению и температуре. Впрочем, пока эта технология остается очень сложной и недоступной для массового использования и описана только в исследованиях. Например, в экспериментах, где обезьяну научили управлять механической рукой, чтобы с помощью джойстика перемещать курсор на экране, или где с помощью вживленных в мозг электродов парализованные люди смогли управлять планшетом.

Что касается переваривания пищи, сегодня существует технология создания искусственного желудочно-кишечного тракта. Он представляет собой несколько резервуаров, в которых поддерживается необходимая кислотность и состав микрофлоры. Смесь пищи перемещается между ними, как по реальному ЖКТ, проходя разные стадии переработки, аналогичные тем, что происходят в человеческих органах. Пока технология используется только в исследовательских целях, чтобы можно было изучить деятельность этих органов в различных условиях, не проводя вскрытие живых организмов.

Если пофантазировать и пойти дальше, то можно задуматься о создании не только искусственного тела, но и мозга. Это очень сложная задача, хотя работы в эту сторону тоже ведутся. Например, в проекте Blue Brain Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии ученые пытаются создать систему, копирующую функции человеческого мозга. Сложность в том, что речь идет не только о создании обычной нейронной сети, но и об учете биологических функций каждого нейрона, ведь на работу клеток мозга влияет множество различных факторов.

 

Не только руки

В кино:

Некоторые искусственные части тела у персонажей фильма совершенно не похожи на стандартные человеческие. Например, в одной сцене появляется музыкант, у которого левая рука разделена на две части, чтобы он мог одновременно зажимать струны на нескольких грифах футуристического струнного инструмента, а игроки в моторбол (вымышленный вид спорта, напоминающий одновременно баскетбол, американский футбол и гонки с препятствиями) на время матча заменяют ноги на реактивные роликовые коньки.

 

В жизни:

Задача создания нейроинтерфейса необязательно требует, чтобы управляемый объект был похож на человеческую конечность. Получая сигнал от мышц, он может отправлять его не только к пальцам или кисти, но и, например, к игрушечным машинкам, да и вообще к любым устройствам. Например, компания Neurobotics, созданная на базе лаборатории нейроробототехники МФТИ, разработала неинвазивный нейроинтерфейс на основе ЭЭГ, который может подавать от одной до восьми дискретных команд. Команды можно комбинировать и заставлять устройства выполнять различные сложные действия. Человеческий мозг имеет огромные возможности к адаптации и обучению, например, благодаря нейропластичности он может менять свою структуру и создавать новые связи, что упрощает работу с нейроинтерфейсами.

 

Тренируем кибермышцы

 

Как улучшить память?

В кино:

У Алиты пропала память, но сохранились навыки боя, которые сработали в экстренной ситуации.

В жизни:

При нарушении связей в человеческом мозге благодаря нейропластичности функцию отдельных нервных клеток берут на себя другие участки мозга. В технологиях обучения нейросетей также существуют способы, благодаря которым сеть может работать и при утрате части нейронов.

Вообще работа нейросети строится по следующему принципу — в нее поступает обучающая информация, которая, проходя по нейронам, изменяет в них ключевые параметры — веса. В рабочем режиме сигнал проходит через сеть и обрабатывается соответственно установленной при обучении конфигурации весов. Если некоторые нейроны перестают функционировать, это ухудшает качество работы сети в целом. Но есть методика под названием дропаут (dropout), при которой в момент обучения случайным образом с определенной вероятностью отключают отдельные нейроны, заставляя сеть подстраиваться под нестабильное состояние. Что характерно, это улучшает качество сети. То есть система становится менее зависимой от весов отдельных нейронов и больше полагается на сеть в целом.

 

Отделяя голову

В кино:

У полных киборгов активность мозга поддерживается с помощью технологий, перекачивающих через него кровь. В одном моменте фильма (СПОЙЛЕР) голову человека, отделенную от тела, подключают к системе кровообращения киборга, чтобы мозг не умер, пока его не присоединят к искусственному телу.

В жизни:

Ученые из Йельского университета провели эксперименты по сохранению мозга свиней со скотобойни. Им удалось сохранить активность клеток в течение 36 часов. Технология была похожа на показанную в фильме — через мозг прокачивалась перфузионная жидкость, доставляющая кислород. Эта же технология применяется для сохранения, например, почек. Тем не менее, несмотря на то, что клетки мозга во многих отделах оставались живыми, электрических сигналов в органе обнаружить не удалось.

 

Чужими руками

В кино:

Антагонист фильма Нова управляет телами персонажей, находясь в висящем над землей городе Залеме.

В жизни:

Группа ученых из Гарвардской медицинской школы проводила эксперименты, в которых одна обезьяна должна была контролировать переднюю лапу другой. Для этого с мозга одной обезьяны снимался сигнал и подавался в лапу предварительно усыпленного животного, после чего она должна была выполнять этой лапой задания. Чтобы упростить задачу, исследователи сфокусировались на конечной цели движения, а не на всем процессе: рука усыпленной обезьяны двигала джойстиком курсор в заданном направлении. Эта технология в перспективе может помочь людям, у которых нарушена передача сигнала от мозга к конечностям: через посредник-нейроинтерфейс можно будет восстановить их активность.

Также проводились опыты, в которых обезьяна, находившаяся в США, с помощью сигналов мозга контролировала человекообразного робота в Японии. Оказалось, что сигналу, идущему на другой конец света, потребовалось на 20 мс меньше времени, чтобы заставить ноги робота двигаться, чем тому же сигналу, направленному к мышцам самой обезьяны.