Что такое киборги бионика
Люди-киборги уже давно живут с нами по соседству
Многие даже не задумываются, что будущее уже наступило. Люди-киборги не только живут среди нас, но даже соревнуются между собой
В Москву съехались более 100 кибатлетов из 33 регионов страны, чтобы показать свою суперсилу в кибатлоне – соревнованиях для людей, использующих различные ассистивные устройства: кибернетические конечности, экзоскелеты, электроколяски, интерфейсы «мозг – компьютер».
Но соревнуются не только участники. Кибатлон вовлекает в борьбу и разработчиков, которые совершенствуют технологии и внедряют новые инженерные решения в свои изделия. Это своеобразный испытательный полигон для технологий будущего. В каждой номинации две награды: одна для спортсмена, вторая – для производителя кибердевайса.
Территория киборгов
– Отличие кибатлетики от паралимпиады состоит в том, что спортсмены, у которых нет руки или ноги, обязательно используют роботизированные средства реабилитации, – рассказал Metro председатель правления Союза «Кибатлетика» Андрей Давидюк. – И это не просто «быстрее-выше-сильнее». Кибатлеты – это супергерои со сверхспособностями, которые ежедневно учатся жить вопреки существующим ограничениям и решать бытовые проблемы: ухаживать за собой, готовить еду с помощью бионических протезов, преодолевать неровные поверхности с помощью электроколясок и даже управлять компьютером при помощи мысли. Это скорее не про достижения, а про то, как жить полноценной жизнью.
Кибатлеты на скорость проходят трассы с использованием разработок преимущественно российских изобретателей. Импортные протезы не запрещены, но, по словам Андрея Давидюка, за 5 лет существования проекта количество тех, кто отдаёт предпочтение отечественным кибердевайсам, неуклонно растёт.
Испытатели будущего
Бионические протезы приводятся в движение путём считывания электрического потенциала мышц при их сокращении с помощью датчиков напряжения. Таким образом, например, происходит сжимание и разжимание кисти. Это значит, что люди без рук получают способность, которой у них раньше не было.
– Пока эти суперсовременные устройства испытывают инвалиды, но мы работаем над тем, чтобы все эти технологии имели двойное назначение. К примеру, сегодня с помощью экзоскелета люди учатся заново ходить, а завтра – будут перемещать неподъёмные для человека грузы.
Биороботы: фантастика или реальность?
Биороботы: фантастика или реальность?
«Мы с тобой одной крови?» (Р. Киплинг, «Маугли»)
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В данной статье подробно рассмотрены основные пути развития направления биоинжениринга по созданию биоботов и проанализированы уже имеющиеся в этой сфере достижения.
«Био/мол/текст»-2016
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Ключевая особенность человека — жажда творить. На протяжении веков лучшие умы создавали нечто новое, меняя жизнь к лучшему, — когда плавно, когда кардинально. Изобретения, в свое время сотрясшие мир, казались несбыточной реальностью. Электричество, всемирная информационная сеть Интернет — теперь это наша обыденность, привычная и скучная. Уклад двадцать первого века схож с волшебством, фантастикой для предыдущих поколений. Возможно, и мы с таким же изумлением будем созерцать инновационные технологии, которые у наших внуков не будут вызывать и капли удивления. Бегут столетия, мир постоянно меняется, трансформируется. Только желание ученых постичь и создать нечто новое не ослабевает. Благодаря их стараниям то, что фигурирует в фильмах о будущем, скоро станет реальностью. Телепортация, полеты в космос сродни поездкам на автобусе — список можно продолжать бесконечно, пока не истощится воображение. Однако в этот раз мы поговорим о другом. О биороботах.
«Нет ничего более изобретательного, чем природа»
Трудно создать биологическую систему более совершенную, чем та, что уже существует в природе. В ней нет ничего лишнего, эволюция сделала все за человека — и ученым достаточно лишь внести свои коррективы в отлаженный временем механизм. Лаборатория iBionicS Университета Северной Каролины в 2012 году представила радиоуправляемого таракана (рис. 1). Принцип его действия заключается в воздействии на нервную систему через сенсоры-усики.
Рисунок 1. Сопоставление размеров модифицированного насекомого с монетой США номиналом 25 центов (диаметр — 2,4 см).
На спине насекомого закрепляли чип, подающий сигналы на антенны таракана и таким образом корректирующий траекторию его движения (видео 1). Перед учеными встала непростая дилемма: для успешной работы чипа требовались батарейки, которые значительно утяжеляли таракана. Было найдено изящное решение, которое можно назвать демонстрацией слаженной работы научных отраслей: с помощью физики удалось отыскать новое применение естественным биологическим процессам в организме таракана. При переваривании пищи таракан выделяет сахар трегалозу. На одном из электродов трегалоза раскладывается на две молекулы глюкозы. С помощью фермента гексокиназы происходит реакция фосфорилирования глюкозы и образуется глюкозофосфат. Эта реакция сопровождается выделением электронов, которые движутся ко второму электроду, то есть создают электрический ток. Ученым удалось добиться того, что таракан своей жизнедеятельностью сам и обеспечивает успешную работу чипа. Внедренные технологии удачно вписались в отлаженные эволюцией механизмы.
Видео 1. Движение радиоуправляемого таракана
В марте 2016 года было опубликовано другое исследование, также связанное с управлением насекомыми, но основанное на ином принципе. Группа ученых Наньянского университета работала с жуками Mecynorhina torquata [1]. Воздействие производили на группы мышц жуков, ответственные за движение лапок (рис. 2). То есть стимулировали опорно-двигательный аппарат, а не нервную систему.
Рисунок 2. Анатомия передней ноги жука. а — Мышцы верхней стороны тела жука. б — Мышцы с нижней стороны. Крестиками помечены группы мышц, стимулируемые электрическими импульсами.
Меняли очередность воздействия и его силу — таким образом регулировали скорость передвижения жука (рис. 3).
Рисунок 3. Отслеживание ширины шага и скорости перемещения жука. Красные кресты указывают координаты передней ноги и рога жука, по которым высчитывалась ширина шага, калибруемая по обычной линейке.
Его перемещения отслеживались с помощью технологии захвата движения. Три специальные камеры отслеживали движения жука и представляли их в виде передвижений упрощенной трехмерной модели насекомого. Биология, физика и информатика внесли свой неоценимый вклад в конечный результат — рисунок 4.
Рисунок 4. Установка для захвата движения насекомого и компьютерная модель. а — Компьютерная система захвата движений. б — К передним ногам и спине жука прикрепляли светоотражающие маркеры для отслеживания движений. в — Собранные 3D-данные о движении преобразовывали и показывали в виде трех независимых графических сегментов.
Модифицированные насекомые давно будоражат людское воображение. Они обладают отличной проходимостью, которая может пригодиться в шпионской деятельности. Подобное применение освещалось в кинематографе и имеет неоспоримые преимущества (видео 2).
Видео 2. Отрывок из фильма «Пятый элемент» (режиссер Л. Бессон)
Однако насекомые-киборги пригодятся и в более мирных целях. Например, в поиске пострадавших под завалами.
Создавая новое
Но вместе с тем ученые ставят перед собой и более амбициозные задачи. Как насчет того, чтобы создать нечто новое? В 2012 году сотрудники Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института продемонстрировали созданную ими искусственную медузу (рис. 5) [2]. «Медузоид» — это первый в мире искусственный мускул, состоящий из смеси специальных полимеров и мышечных волокон крысы.
Рисунок 5. Конструкция из силикона и клеток сердца крыс, повторяющая настоящую медузу.
Мышечные волокна, взятые из клеток сердечной ткани мышей, выращены на полимерной матрице. В качестве материала для нее использовали полидиметилсилоксан, который по свойствам близок к соединительной ткани медуз — мезоглее. Необходимой формы добивались с помощью нанесения рисунка из протеинового раствора.
Ориентируясь на строение медузы ушастой аурелии (Aurelia aurita), ученые добились такого же принципа перемещения для биобота. Он двигается за счет выталкивания жидкости, для чего необходимо сокращение мышц. Для обеспечения этого «медузоид» был помещен в электропроводящий соляной раствор. Под воздействием электрических импульсов происходит сокращение мышечных клеток, и биоробот осуществляет движение. Пока не удается достичь полного контроля траектории его движения, но данное направление является весьма перспективным. Работа ведется активно и вдохновляет ученых на новые свершения.
Данное исследование дало толчок следующему. В 2016 году группа ученых из Гарварда представила мировой общественности разработку — «золотого» ската (рис. 6) [3], [4].
Подробнее об искусственном скате можно прочитать на «биомолекуле»: «Мечтают ли батоиды об электрокрысах?» [5]. — Ред.
Рисунок 6. Глаз и скат. Сейчас мы наблюдаем за скатом, а потом он поможет нам наблюдать за другими организмами.
Это система по принципу строения во многом напоминает ската природного (рис. 7).
Рисунок 7. Особенности строения искусственного ската. а — Живой скат. б — Строение плавника живого ската. в — Четыре слоя тела искусственного ската: слой 1 — корпус из полидиметилсилоксана (силикона, применяемого в медицине, косметологии и даже пищевой промышленности); слой 2 — золотой скелет; слой 3 — снова тонкий слой полидиметилсилоксана, на котором расположены мышечные клетки (слой 4). г — Концепт. д — Обхождение препятствий в зависимости от интенсивности подаваемого сигнала.
Очень доступно о том, как хитроумно работает оптогенетика рассказано в статье «Светлая голова» [6]. А как оптогенетика может заставить видеть даже в случае тотального повреждения фоторецепторных клеток сетчатки, описано в статье «Оптогенетика + голография = прозрение?» [7]. — Ред.
Видео 3. Как с помощью живых мышечных клеток и импульсов света удается успешно управлять созданным в лаборатории биоботом
Приведенные выше исследования доказывают: наука вышла на достаточно высокий уровень, чтобы создавать квазиорганизмы искусственным путем, ориентируясь на природные подобия. Пока предприняты лишь первые шаги, которые открывают дорогу более продвинутым исследованиям. Возможно, в скором будущем ученым удастся создать биороботов, более сложных в строении и менее ограниченных в плане среды и условий существования.
Полет фантазии
В результате эволюции организмы, ныне живущие на Земле, достигли совершенства. Все процессы для их успешной жизнедеятельности отлажены и дополняют друг друга. Казалось, не нужно ничего более. Однако не существует границ для человеческой фантазии. Если наличествует должный научный аппарат, почему бы не создать нечто новое, не имеющее аналога в природе? Группа ученых из Университета Иллинойса сделала первые шаги в этом направлении. В 2012 году был показан биобот, приводимый в действие клетками сердечной ткани мышей [8], [9]. Он представлял собой 3D-напечатанный каркас из гидрогеля с высеянными на его поверхность кардиомиоцитами (рис. 8). Клетки сокращаются и расслабляются самостоятельно при соблюдении определенных внешних условий, и биобот размером не более 1 см двигается.
Некоторое время назад «биомолекула» писала о полумягком роботе-прыгуне, тоже созданном посредством 3D-печати: «3D-принтер произвел на свет полумягкого робота-прыгуна» [10]. — Ред.
Рисунок 8. Движения биобота на клетках сердечной мышцы.
Однако контролировать сокращение сердечных клеток — непростая задача, и в 2014 году та же группа ученых представила модернизированную версию биоробота: уже с использованием клеток скелетных мышц мышей (рис. 9). Под воздействием электрических импульсов, подаваемых с внешнего электронного устройства, они сокращаются, вследствие чего биобот передвигается.
Рисунок 9. Строение биобота: гидрогелевый каркас и скелетная мышечная ткань.
Скорость движения регулируется частотой подаваемого поля — это было установлено экспериментально (видео 4).
Видео 4. Напечатанные на 3D-принтере биоботы, приводимые в движение мышечными клетками и управляемые электическими импульсами
Разработанная технология позволяет использовать гидрогелевые каркасы различных форм и дает достаточно свободы для дальнейших изысканий. Уже достигнутый контроль над движением биоробота планируется улучшить. Ученые собираются внедрить в мускульные ткани нейронные сети. Это усложнит алгоритмы движения, но позволит подключить иные способы управления, например, светом или химическим составом среды.
Большие надежды
Двадцать первый век — время, когда достижения науки позволяют претворять давние мечты в жизнь. Описанные типы биороботов могут найти применение во многих сферах жизни человека. Насекомые-киборги пригодятся в шпионаже и операциях МЧС, оптогенетика позволит создать дронов, держащихся в воздухе за счет сокращения мышечных колец. Военную отрасль будут ждать кардинальные перемены. Биороботы, аналоги природных созданий, пока ограничены средой, однако в будущем эти рамки будут преодолены. Станет возможным создание биороботов более сложной структуры, которые превзойдут живые оригиналы. Появится новое направление в биологии — разве могли предыдущие поколения даже мечтать о подобном?
Фантастика становится реальностью. Ученым двадцать первого века выпал счастливый шанс не только наблюдать, но и принять участие в этом увлекательном процессе.
Кто создает киборгов: как стать разработчиком киберпротезов
Кто такой разработчик киберпротезов
Это человек, который разрабатывает протезы конечностей и органы, совместимые с живыми тканями. Он работает на стыке медицины, нейрофизиологии, инженерии и программирования. Разрабатывает протезы вместе с дизайнерами, инженерами-робототехниками и пилотами-тестировщиками.
По словам основателя компании «Моторика» Ильи Чеха, миллионы людей в мире живут без рук и только 20% из них пользуются протезами. Разработчики киберпротезов создают искусственные руки, которые по возможностям почти не уступают настоящим. Человек с протезом может взять даже мелкие предметы, например, чайную ложку.
Чем занимается разработчик киберпротезов
Сначала такой специалист создает проект бионического протеза или органа. Он изучает биоэлектрические импульсы, связывающие нервную и мышечную системы человека, и придумывает, как их соединить с протезом. Например, чтобы на протезе руки двигались пальцы, в него встраивают специальные мио-датчики. Они считывают электрический потенциал сохранившихся мышечных тканей и посылают сигнал в протез — тут и происходит движение. Затем специалист создает 3D-модель для принтера. Он моделирует устройство по индивидуальным параметрам и готовит к покраске.
Дальше разработчик подбирает подходящие материалы: биологически совместимые, с симбиотическим потенциалом, которые не отвергнет организм. Важно максимально «сроднить» человека и его протез, чтобы конструкция из пластика и металла стала полноценной частью тела.
Если человек будет плавно помахивать рукой, а потом резко захочет ее опустить, протез должен считать это желание так же быстро, как живая рука.
Ключевые навыки
Как объяснил РБК Трендам Илья Чех, разработчику киберпротезов следует разбираться в электронике, программировании, материаловедении, конструировании, биофизике и нейрофизиологии. А вот несколько его основных навыков:
Тренды и направления профессии
Киборгизация — это объединение технологий и органики, создание гибрида биологического существа и машины. По мнению Чеха, новое направление активно развивается и скоро станет одним из ключевых в медицине.
«Реабилитология — улучшение и восстановление способностей и качества жизни людей — становится междисциплинарной областью знаний, объединяющей в себе медицину, психологию, педагогику и физическую культуру. Вокруг нее формируется экосистема из инженеров и врачей, работающих с конкретным пациентом», — говорит Илья Чех.
Следующий шаг в развитии протезирования — создание вживляемых интерфейсов, которые будут считывать сигналы мозга нашему телу. Например, американские ученые разработали нейроинтерфейс, помогающий парализованным людям пользоваться планшетом. Он передает сигнал от вживленных в кору головного мозга электродов к планшету через Bluetooth. Люди с таким интерфейсом уже смогли сделать покупки, пообщаться в мессенджере и посчитать на калькуляторе.
Чтобы разрабатывать долгосрочные интерфейсы и выпускать их на рынок, текущих технологий и материалов пока не хватает. По словам Чеха, это серьезный технологический вызов, история недалекого будущего.
Откуда придет профессия
По словам Ильи Чеха, разработчиков киберпротезов в нашей стране очень мало, всего пару сотен на всю Россию. Обычно они приходят из смежных отраслей — медицины или инженерии. Доучивать такого работника нужно несколько месяцев, а готовить с нуля — три-пять лет. Чем быстрее вырастет рынок, тем больше вузов станут готовить таких специалистов.
Как стать разработчиком киберпротезов
Будущему специалисту лучше определить для себя приоритетную область знаний, но обязательно следует интересоваться смежными областями.
Илья Чех рекомендует поступать на общее направление робототехники и мехатроники, которое есть почти во всех ведущих технических вузах: Московском институте электроники и математики им. А. Н. Тихонова, Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ», МГТУ им. Баумана, МФТИ, Университете ИТМО, московском «Политехе».
Техническое образование поможет сформировать общее понимание робототехники и всех ее компонентов: программирования, электроники и конструирования. А уже после можно начать разбираться в медицине — пройти курсы или поступить на медицинские факультеты «медицинская кибернетика», «биотехнические системы и технологии».
Киборги
Ки́борг (сокращение от англ. cybernetic organism — кибернетический организм) — биологический организм, содержащий механические компоненты; реже (данное значение термина популяризовано во многом благодаря серии кинофильмов «Терминатор») — робот, содержащий биологические компоненты.
Содержание
История
Идея киборга появляется в научной фантастике незадолго до Второй мировой войны. Термин введен Манфредом Е. Клайнсом и Натаном С. Клином в 1960, в связи с их концепцией расширения возможностей человека для выживания вне Земли. Эта концепция являлась результатом размышлений на тему необходимости более близких, интимных отношений между человеком и машиной, по мере того как космические исследования становятся реальностью. Дизайнер медицинского оборудования и устройств электронной обработки информации, Клайнс являлся ведущим учёным лаборатории Динамического Моделирования в госпитале Роклэнд в Нью-Йорке.
Теория
Возрастание зависимости человека от механизмов, а также замена органов механическими приспособлениями (протезами, имплантантами) создаёт условия для постепенного превращения человека в киборга. Техника по сути является проекцией человека: одежда — проекция кожи, молоток — проекция кулака, кастрюля — органопроекция желудка. В технике человек проецирует себя, поэтому совместная эволюция человека и техники в киборга процесс объективный.
В феминистских концепциях Донны Харавай киборг стал начальной метафорой исследования путей избавления от природных/культурных противостояний. Она демонстрирует, как желание разделить противостоящие аспекты существования становится всё более трудновыполнимым, и пытается использовать пограничное смешение понятий для разработки новых способов политического действия. Эта концепция известна как «Теория Киборга».
Термин «фиборг» («фантастический киборг») был придуман Александром Численко, чтобы отличить киборгов научной фантастики от обычных способов расширения человеческих возможностей, таких как контактные линзы, слуховые аппараты и мобильные телефоны.
Джеймс Литтен придумал термин «киборгизация» для описания процесса превращения в киборга.
Фантастический роман Мартина Кайдина «Киборг» (1972) описывает историю человека, повреждённые органы которого заменяются механическими приборами. Роман был адаптирован в телевизионный сериал «Шестимиллионный человек» в 1973.
Рассказ Айзека Азимова «Двухсотлетний человек» исследует концепции кибернетики. Центральный персонаж — робот, который модифицирует себя с помощью биологических компонентов. Его исследования ведут к прорыву в медицине в области искусственных органов и протезов. К концу истории не остаётся значительных различий между телом робота и человека.
Сегодня система C-LEG используется для замены ампутированных человеческих ног. Значительный эффект оказывает использование сенсоров в искусственных ногах. Это один из первых шагов к киборгизации.
Роботека
О сайте
Вы здесь
Киборг. Понятие и история развития
Киборг – понятие, плотно вошедшее в нашу жизнь, но не всегда точно понимаемое и используемое. Часто это понятие используют, говоря о роботах, монстрах, или тренированных людях, тело которых способно совершить большее, чем тело среднестатистического индивидуума. Но это не так.
Понятие – киборг
Киборг — пример биолого-механического симбиоза. В массовой культуре киборги представлены как механические структуры с биологическими придатками, или организмы, практически неотличимые от людей, но с искусственно модифицированными частями тел.
Первый вариант, это Борг из Стар Трека, Дарт Вейдер из Звёздных Войн, или Киборг из DC Comics.
Второй вариант — Сайлоны из Battlestar Galactica.
Киборгизация организма
Эксперты утверждают, что у человечества огромный шанс стать киборгами уже через 30 – 40 лет, за счёт усовершенствований тех или иных органов, и замены их более надёжными и совершенными модификациями из синтетических материалов.
Технических препятствий к этому нет. За последние годы в этом направлении сделано очень многое. Например, электропневматическая нога C-Leg, разработка компании Otto Bock, способная вернуть необходимые двигательные функции человеку, нуждающемуся в этом. Пока имеются препятствия чисто финансового характера: замена человеческих органов искусственными, полностью сохраняющими нормальную работоспособность, а часто и превосходящими её, дело недешёвое.
Вот некоторые примеры уже имеющихся разработок, предназначенных человеку будущего:
Вопрос о том, что несёт киборгизация, плюсы или минусы для человечества, широко обсуждается в обществе.
Аргументы «За» и «Против»
Аргументы «За» просты. Стать киборгом — это восстановить или усовершенствовать ту или иную функцию организма, успешнее её использовать, увеличить продолжительность жизни. Хотим мы этого, или не хотим, но технический прогресс не остановить. Человечество переходит на новую эволюционную ступень. Когда-то на новую ступень поднялась обезьяна, взяв в руки палку, и сделав этим «критичный» шаг по превращению в человека.
«Против»
Аргументы «Против» тоже имеются. Новые приобретения могут скрывать за собой потерянное, что мы не сразу сможем осознать. Насколько сохранятся в киборгах человеческие ценности, например, сострадание? Смогут ли киборги и обычные люди нормально взаимодействовать между собой? Ответов пока нет.
Хронология развития понятия Киборг
Развитие и трансформацию понятия удобнее проследить на книгах и фильмах, именно они вызывают общественный резонанс. Но и в реальной жизни понятие киборг не только используется, но и расширяется.
Вот только несколько примеров: