Робопротезы будущего и крысы-киборги. Главное на QWERTY №73
[музыка]
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал Qwerty. Обвес зовут Владимир. Мы представляем вам выпуск самых интересных новостей науки прошедшей неделе. Из этого ролика вы узнаете про то, как человеческий мозг подсоединили к компьютеру; про то, как человеческий мозг управляет робо-рукой с обратной связью; про просто плитки с реактивным двигателем и про умную ткань, который может адаптироваться к изменениям температуры. Все подробности будут по ссылкам в описании.
Самой интересной новостью прошлого выпуска вы посчитали новость про запись голоса прямо из мозга; про то, как инженеры вставили электроды в мозг человека, считали оттуда сигнал во время прослушивания голоса, обработали его, скормили нейросети и воспроизвели через синтезатор речи. В комментариях часто спрашивали: «А зачем нужно было тыкать электродами прямо в живой человеческий мозг?» Отвечаем: для эксперимента необходимо была прямая связь с источником сигнала в четко определенных участках коры головного мозга.
Электроэнцефалограмма, снятая через кости черепа, не была бы достаточно точной. К тому же отбирались пациенты с эпилепсией, для которых уже была запланирована операция на открытом мозге, позволяющая воспользоваться электроника графики. Этот тип связи называют БСИ — brain-computer interface (нейрокомпьютерный интерфейс). И новым его уж точно не назовешь: как минимум с девяностых годов в организм человека постоянно вживляются какие-то устройства, позволяющие передавать сигнал от человеческого мозга компьютеру и наоборот.
А уж нейропротезированием и подавно никого не удивишь. Нейропротезы позволяют восстанавливать утраченный слух и зрение десяткам и сотням тысяч людей. Они подключают нервную систему человека к видящим и слышащим устройствам. А мозг, будучи чрезвычайно пластичным и адаптивным, начинает трансформировать поступающие от них электронные сигналы в привычные нам изображения и звуки. Так работает, например, как learn и слуховой имплантат.
Предыдущие попытки считать звуки прямо из мозга, а точнее, дать акустическое представление нервного сигнала, сложно назвать успешными и за примитивных методов для кодирования качество звука было, мягко говоря, плохим. А если пытаться раскладывать сигнал на отдельные звуки, то есть фонемы, теряется интонационная и эмоциональная окраска. Речь становится похожей на древние синтезаторы голоса, как Microsoft или Measure. Именно поэтому воспользовались технологией, по которой работает Amazon Echo и Siri от Apple.
За кадром вокодер дает живой голос, потому что учитывает много тонких настроек, реконструировался поток речи. Поэтому была доступна обратная связь в реальном времени, позволяющая взаимную адаптацию мозга и компьютерного алгоритма для повышения точности. На бэкэнде была модель глубокого обучения — центральное звено этой системы, зарекомендовавшая себя гораздо лучше обычных линейных алгоритмов.
Так что у меня Алиса Мелофон, и мы не зря упоминали про протезирование! Совершенно потрясающая новость подоспела: про первый протез руки до локтя с обратной связью, подключенный напрямую к нервам пациента. Энакин Скайуокер, лишившийся конечности, не перестал быть супервоином, Люк Скайуокер, потерявшую руку, тоже их умению орудовать мечом позавидовали бы многие. Но во вселенной Звёздных Войн более развитой технологии, скажите вы? Я вам отвечу: да, но уже не настолько.
Гражданке Швеции буквально вживили робо-руку, которая может не только выполнять мелкие операции, вроде печатанья на клавиатуре и завязывания шнурков, но она может чувствовать. Над созданием этой робо-руки работала целая группа европейских ученых, инженеров и ортопедов. Протез через титановые штифты имплантировали в лучевые и локтевые кости пациентки и подключили его напрямую к мышцам с помощью 16 электродов.
Таким образом, протез действительно стал продолжением руки. Он может принимать команды прямо из мозга! Но более того, робо-рука вернула пациентке возможность получать тактильные ощущения. Обычные протезы работают на основе сигналов, из которых электроны считывают с кожных покровов. Конечно, это не точная и не надежная технология. Она фактически позволяет выполнять грубые движения, например, жать руку в кулак.
Никакой чувствительности, речи, конечно же, не идет, за исключением нескольких разработок. О некоторых вы, кстати, рассказывали. Например, о чувствительных роба-кожах и о прототипах протезов с обратной связью. Но в общем случае пациент не может сказать, с какой силой он сжимает предмет, и ему необходимо визуально контролировать каждое свое движение. Новый протез напоминает устройство со страницы книги в жанре БИО!
Благодаря тому, что он оборудован сенсорами, позволяющими передавать тактильные ощущения в нервную систему, он позволяет повысить точность выполнения повседневных движений. Очень важный момент в том, что есть разница, как ампутирована рука: выше локтя или ниже локтя. Уникальность этой робо-руки в том, что она первая, которую имплантировали ниже локтя.
Если ампутировать выше, то оживление в крупную кость легко выполнимо, и протезы с некоторой обратной связью уже в общем-то имеются. А вот если ниже, то две некрупные косточки бросают вызов медиков. В этом случае он был принят! В настоящий момент пациентка проходит курс реабилитации и учится управлять робо-рукой в виртуальном пространстве. Но уже совсем скоро она будет пользоваться ею и в реальной жизни.
А вот совсем дикое! Новость пришла, наверно, уже по традиции из Китая. На этот раз электроды имплантировали в мозг крысы. Не человеку, но и человек тут тоже пригодился. Он был связки нейроинтерфейса: мозг человека и мозг крысы. Через эту беспроводную систему человек мог впервые напрямую управлять крысином киборгом.
У крысы два микроэлектрода были вживлены в кору головного мозга. Грызуны прошли обучение и умели передвигаться в пространстве в зависимости от того, какой сигнал они чувствовали. Человек же обошелся всего лишь устройством для снятия электроэнцефалограммы, то есть без инвазии.
Справедливости ради отметим, что человеческие мозги двух людей соединили аж в 2014 году. Правда, тоже неинвазивным методом. Тогда один человек играл в компьютерную игру, но у него не было средств управления, поэтому он силой мысли заставлял другого человека нажимать на тачпад. Причем сигнал от человека-отправителя к человеку-приемнику передавался через интернет. Но вернемся к киборгам!
Кстати, в 2016 году человек ментально управлял тараканом-киборгом. Наверняка, процесс был менее качественным и точным, чем когда парализованный пациент управлял специально разработанной робо-рукой. Но тут и задачи разные. Итак, крыса и запускали сложный лабиринт. Сигнал человеческого мозга считывали с помощью электроэнцефалограммы и передавались в компьютер.
Конечно, толстый слой кости, черепа и кожи глушит и замедляет сигнал. Это как читать книгу через несколько слоев матового стекла. Но на все эксперименты больных эпилепсией не напасешься. Поэтому оператор сильно думал: направо или налево. А чтобы подать команду «вперед», которую нужно обрабатывать быстрее, он просто моргал.
Компьютер умел преобразовывать паттерны активности мозга в соответствующие сигналы и передавать их на электроды. У крысы шести крысов предстояло сделать 10 проходов в сложных лабиринтах. Человек вел их по запутанным заранее определённым траекториям, но грызуны успешно выполнили все приказы человека в 90 процентах случаев.
Технология пока что еще в зачаточном состоянии. Есть разные способы использования киборгов животных. Напомню, что человек тоже животное. Те, которые очевидны любителям теории заговоров, а есть, например, вариант использования крыс с рациями и камерами для поиска выживших людей в разрушенных зданиях. Например, да, ручное управление может быть более надежным, но крысу всегда можно переключить на автопилот.
А теперь ещё немного медицины. И на этот раз мы, наконец, вылезем из человеческого мозга. Ученые создали таблетки, которые могут использовать реактивный двигатель для того, чтобы плавать внутри пациента. Но зачем нужно глотать мини-ракету? Начнем с того, что не все лекарства хорошо себя чувствуют в кислотной среде желудка. Их приходится защищать стенками капсул или накладывать в таблетку в избытке, в надежде, что необходимое количество пробьётся сквозь желудок и попадет по назначению.
Привлеченные задумались над тем, чтобы использовать кислотность в своих целях. Они заставляют жидкость внутри желудка взаимодействовать с химическими веществами внутри таблетки таким образом, чтобы происходила бурная химическая реакция, отталкивающая таблетку к выходу. Имеется в виду к выходу в кишечник, туда, где лекарственные вещества и должны начать наносить пользу. Вот как создают реактивную таблетку: сначала берется магниевая капсула, всего 20 микрометров в диаметре, сверху ее покрывают диоксидом титана везде, кроме маленького пятна, на площади которого магний и будет контактировать с жидкостью и выстреливать водородной реактивной струей.
Уже потом наносят действующее лекарственное вещество и защищают его слоем хитозана, который к тому же может прикрепляться и к стенке кишечника, видимо, для того, чтобы таблетка не вылетела напрямую. А на самом последнем этапе аж чувствительный полимер, который при низком тираж, то есть в кислоте желудка, сохраняется, а при высоком, то есть в кишечнике, растворяется, обнажая слой хитозана и лекарства.
Но конечно, можно не играть во все эти игрушки и просто делать уколы. Но это больно! Если вы альпинист, бегун или лыжник или просто любите активный образ жизни, то наверняка слышали о термо-тканях. Они помогают отводить влагу от человеческого тела и сохранять тепло, или наоборот, отводить тепло наружу. Таким образом, как бы сильно вы не запарились во время 10-километрового кросса, термокостюм все равно отрегулирует тепловой режим и выведет, что бы вы не стали слишком мокрым и не замерзнете.
Однако каждый вид термо-ткани работает по одному заранее заданному определенному принципу. Они не способны адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды и к переменным характеристикам человеческого тела. Ученые из Университета Мэриленда решили проблему просто: они разработали умную ткань, которая автоматически меняет свои свойства в зависимости от условий. Удерживает тепло или позволяет его отводить от тела человека. Когда тепло и влажно, что имитирует занятия спортом, ткань начинает пропускать влагу и тепло наружу. А когда холодно и сухо, наоборот, снижает выделение тепла.
Очень удобно! Для того чтобы идея стала реальностью, ученые как следует поработали над пряжей. Нити сотканы из волокон двух синтетических материалов: целлюлозы и ацетата. Один поглощает воду, а второй отталкивает. Каждое нет — это множество таких двойных волокон. Если повысить влажность, то волокна сблизятся, появляются поры, а ткань раскрывается. Если влаги мало, то волокна раздвигаются и закрывают промежутки.
Но и это еще не все! Нити покрыты углеродными нанотрубками. Из-за этого в закрытом состоянии волокна увеличивают излучающую способность, и тепловое излучение человеческого тела не встречает препятствий. Выходит наружу, этому еще и увеличенные поры способствуют. Так что по факту это первый текстильный материал, способный регулировать теплообмен с окружающей средой.
Ну что ж! На этом сегодня все. Большое спасибо вам за просмотр! Оставляйте свое мнение в комментариях, ставьте лайк этому видео, если оно вам понравилось, и делитесь им со своими друзьями. Проголосовать за самую интересную новость выпуска можно в подсказках к этому видео, о нем наверху. Не забудьте подписаться, накрывки здесь, но YouTube, Instagram и Telegram. Щелкните, пожалуйста, колокольчик. И до скорых встреч! Пока!
[музыка] Вот!
[музыка]