Vita ex machina

Электрическая роборыба, карта памяти, работающая от дыхания, и другие новости бионики за ноябрь

Изображение: John Smith / Flickr

В лабораториях бьются искусственные сердца, молекулярные компьютеры играют в крестики-нолики, а крошечные медицинские роботы учатся взаимодействовать между собой внутри наших тел. Люди всегда мечтали подражать природе, и теперь, кажется, у нас это получается все лучше. Каждый месяц «Чердак» отбирает самые интересные бионические новости, чтобы вы не потерялись в этом новом, странном мире.

Человек и многие другие создания — существа прежде всего визуальные, но в воде полагаться на зрение очень опрометчиво, и поэтому многие подводные обитатели развили у себя другие, непривычные нам чувства. Например, рыбы неплохо освоили электричество: излучая электромагнитные волны, они составляют точные карты окружающей местности и общаются между собой. Ученые во главе с итальянцем Чезаре Стефанини (Cesare Stefanini) попытались включить в этот электрический диалог искусственных роборыб.

В разных лабораториях биоподобных роботов уже успешно подселяли к тараканам, пчелам, курицам и рыбкам данио рерио — теперь ученые взялись за мормир руме (Mormyrus rume). Их робот не просто был принят в косяк этих электрических рыб из рода слонорылов, но еще и научился с помощью электрических импульсов вести новых сородичей за собой. Всего в эксперименте поучаствовали 44 настоящие рыбы и одна роборыба — очень похожая по форме, цвету и размерам на среднего представителя Mormyrus rume и умеющая плыть вперед, вилять хвостом с переменной частотой и амплитудой, а главное, излучать электрические сигналы.

Для каждого испытания брали 11 рыб и одну роборыбу и помещали их в продолговатый прозрачный контейнер, разделенный на три части: слева была зона с укрытиями, где рыбы могли спрятаться, правее — открытое пространство, упиравшееся в перегородку с узким отверстием, через которое рыбы могли проплыть, а за перегородкой — еще одна открытая зона.

Искусственная Mormyrus rume начинала свой путь от перегородки и медленно-медленно плыла вправо, а ученые фиксировали, сколько рыб она увлечет за собой. Оказалось, что параметры движения хвоста (частота и амплитуда) были не важны — рыбы не обращали на них внимания. Им были важны электрические сигналы.

Без характерных электрических призывов за рыбой в среднем уплывал только один представитель стаи, а с ними — целых шесть. О чем именно робот рассказывал своим соплеменникам и как зазывал отправиться за перегородку, неизвестно, но факт остается фактом: рыбы его слушали.

Фото: Hunter Desportes / Flickr

Другая мечта ученых — это роевые роботы, умеющие работать в команде, не требующей централизованного управления. По задумке человеку надо будет только дать указания нескольким ближайшим роботам в таком рое, а дальше они уже сами скоординируют действия, чтобы, например, разобрать завал после землетрясения.

Сейчас для взаимодействия людей с роевыми роботами предлагают использовать голосовое управление или управление жестами, основанное на компьютерном зрении, но у этих подходов есть серьезные недостатки: операторам роботов придется учить специальные команды, а разработчикам — придумывать универсальные системы знаков, уместные в разных культурах. Поэтому исследователи из Швейцарии предлагают другой подход: недавно они показали, что управлять роевыми роботами и точечно давать им команды можно с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ). Для этого швейцарцы использовали маленьких роботов thymio II (11 X 11 X 5 см, оснащены светодиодной подсветкой и системой для передачи ИК-сигналов), шапочку для снятия сигналов ЭЭГ Emotiv Epoc (в ней 14 симметрично расположенных электродов и также система для ИК-протоколов связи) и 10 добровольцев (почти никто из них раньше не пробовал управлять роботами с помощью интерфейсов «мозг-компьютер»).

В первом эксперименте испытуемый смотрел на одинокого робота, мигающего светодиодом с постоянной частотой, а компьютерный алгоритм искал в его ЭЭГ сигнал с точно такой же частотой — реакцию на зрительный раздражитель, которая самопроизвольно появляется у человека, когда он с фиксированной периодичностью получает одинаковые визуальные стимулы. Ученые смотрели, как на работу этой системы будет влиять цвет светодиода робота (оказалось, что белый чуть хуже зеленого и красного — с ним было сложнее найти сигнал характерной частоты в общей картине ЭЭГ), расстояние до робота (30 см и 100 см давали почти одинаковые результаты, а вот на 200 см надежность коммуникации заметно снижалась) и частота мерцания подсветки (оптимальной была частота от 7 до 17 Гц).

Во втором эксперименте вокруг человека было уже три робота и один из них моргал с частотой 8 Гц, другой — с частотой 10 Гц, а третий — 12 Гц. Испытуемый должен был сообщить экспериментатору, какого робота он выбирает, и начать пристально на него смотреть — дальше алгоритм старался вычленить из ЭЭГ характерный сигнал на частоте 8, 10 или 12 Гц и передать по ИК-каналу команду соответствующему роботу, чтобы он переключил цвет моргающего диода с красного на зеленый (изначально все роботы моргали зеленым).

Людям удавалось выбрать нужного робота в среднем в 75% случаев (хотя у некоторых испытуемых результаты были более смелыми — вплоть до 98%). Ученые отмечают, что для практического применения этого пока мало (тем более что алгоритм начинал нормально работать только после того, как человек четыре секунды смотрел на робота), но подчеркивают, что свою задачу они выполнили: эксперименты показали, что выбирать отдельных роботов из роя вполне можно силой мысли.

Фото: Nick Harris / Flickr

Китайцы из Пекинского технологического института взяли ленты оксида графена, сшили их в плоские сеточки, а потом спрессовали эти сеточки в пористую мембрану и получили, наверное, самый странный электронный чип памяти. Информация на него записывается электричеством, а считывается с помощью дыхания. При этом для своей работы он не требует постоянного источника внешней энергии.

Сквозь толщу этой мембраны насквозь идут ионные каналы, стенки которых сформированы кислородсодержащими функциональными группами. Эти функциональные группы гидрофильны, то есть стремятся к контакту с водой (в набухшем от воды состоянии китайская мембрана увеличивает свою массу почти в два раза), в присутствии которой они гидратируются (-O группы превращаются в -OH группы) и оттого меняют свою пространственную структуру, что приводит к расширению канала: поры мембраны широко раскрываются в присутствии воды и сужаются в сухих условиях.

Потом с помощью поляризации внешним электрическим полем (к мембране подводили электроды и прикладывали разность напряжения) ученые сделали так, что на одном краю мембраны было гораздо больше кислородсодержащих функциональных групп, чем на другом. В результате при повышении влажности такая мембрана не просто раскрывала свои поры, а еще и формировала собственную мембранную разность потенциалов величиной около 40 мВ: поры на одном краю раскрывались гораздо быстрей и шире, чем поры на другом, и в результате в эти ионные каналы входило гораздо больше катионов H+ и внутри мембраны формировался градиент концентрации ионов. Появлялась разница потенциалов: ионы стремились течь перпендикулярно порам из одной части мембраны, где их было много, в другую часть мембраны, где их было мало.

Из 24 мембран ученые собрали систему, в которой записали слово BIT — по восемь мембран-битов на каждую букву. Чтобы считать информацию, на мембраны нужно было подышать — дыхание человека поднимало влажность, а миниатюрные потенциометры, подключенные к мембранам, считывали напряжение. У логической «1» с повышением влажности формировалась разность потенциалов, а у логического «0» — нет.

Без каких-либо потерь в записанной информации такой чип работал как минимум месяц, а в параллельных экспериментах китайцы показали, что ни циклы включения-выключения, ни механическая деформация не приводят к стиранию информации. Теперь они мечтают встроить свои автономные элементы памяти в медицинские устройства и недвусмысленно намекают, что природная память человека и других созданий тоже замешана на разностях потенциалов, возникающих из-за ионных токов.

Фото: Petras Gagilas / Flickr

Электропроводящие полимеры — это единственный класс материалов, способных одновременно проводить и «электронные» токи, управляющие нашими компьютерами, и «ионные» токи, управляющие живыми механизмами. С помощью них уже создают искусственные нейроны, сенсоры для непрерывной диагностики сердца и даже розы-киборги, а теперь они доказали свою эффективность для снятия ЭЭГ.

Ранее ученые уже показывали в экспериментах на мышах, что гибкие электроды, покрытые проводящими полимерами, гораздо лучше снимают сигналы, чем классические металлические электроды. В ноябре исследователи из Китая и США успешно провели аналогичные эксперименты на людях. Их имплантат NeuroGrid вводили пяти разным пациентам на время проведения операций на мозге, и он с высокой точностью регистрировал активности даже отдельных нейронов. После операций имплантат удалялся, но за это время он не вызывал никаких воспалительных процессов или других побочных эффектов.

Сам NeuroGrid представляет собой решетку, сделанную из непроводящего парилена, на которой сидят около 120 гибких проводящих электродов. Толщина решетки — около 4 микрометров, она покрывает до 420 мм2 коры мозга и напоминает гибкую полиэтиленовую пленку, плотно облегающую влажную поверхность. Теперь ученые предлагают использовать его для диагностики эпилепсии, которая возникает из-за патологического возбуждения нейронов, спровоцированного опухолью, инсультом или другими внешними факторами.
Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: