Роботы внутри нас

Несколько лет назад 22-летняя Нэн Дэвис из Детройта, штат Огайо (США), попала в автомобильную катастрофу, следствием которой стал поперечный миелит. Нэн была обречена на неподвижность, сообщает журнал "Изобретатель и рационализатор" (1983, № 6). "С помощью компьютера д-р Дж. Петровский вновь научил девушку ходить. К ножным мускулам были прикреплены 30 электродов и сенсорных датчиков. Электрические импульсы, посылаемые компьютером, стимулируют мышцы. С мускулов сигналы снова возвращаются на ЭВМ, чтобы машина могла координировать движения ног. Сейчас изобретатель работает над компактным компьютером размерами не больше 25×15 сантиметров, чтобы больной мог носить его с собой на спине. В дальнейшем д-р Петровский собирается вживлять микропроцессоры непосредственно в мышцы больных".

Идея создания искусственных "запчастей" к организму человека для замены больных или поврежденных органов не нова. Но только в наши дни тесное сотрудничество специалистов различных областей - от химии полимеров и аэрокосмической техники до микроэлектронной роботологии и биологии - позволило предоставить медикам набор технических "чудес": искусственную кожу, искусственную кость и искусственную кровь, управляемые микропроцессором конечности, внутриглазные линзы, миниатюрные насосы, заменяющие поджелудочную железу, искусственные почки и кровеносные сосуды. Здесь робототехническое моделирование человеческой природы становится опять самой природой.

Однако то, что выглядит легким в теории, на практике часто оказывается неимоверно трудным. Сердце, например, - это, попросту говоря, обыкновенный насос. Однако он "обслуживает" около ста тысяч километров кровеносных "трубопроводов", делая по сто тысяч ударов ежедневно все 365 дней в году. И так в продолжение семидесяти лет и более! Несмотря на два десятилетия интенсивных и дорогостоящих исследовательских работ, достойное искусственное сердце все еще не стало реальностью. В университете штата Юта было разработано полностью искусственное сердце "Джарвик", насос из полиуретана и алюминия, приводимый в движение воздухом, но применяться на практике оно сможет самое раннее после 1987 года.

"К 1996 году бегуны на марафонские дистанции, снабженные "высокоэффективными искусственными сердцами, могут быть дисквалифицированы из-за своего несправедливого преимущества над остальными", - говорит доктор У. Колф из университета штата Юта.

Появились и другие не менее интересные изделия. Электрокардиостимуляторы (электронные стимуляторы сердечной деятельности) уже носят в себе сотни тысяч пациентов, которым их вживили в организм для регулирования сердечных сокращений. Искусственные кровеносные сосуды из полиэфирного волокна используются для помощи пациентам, страдающим сужением просвета артерий. Многим делается замена больного тазобедренного сустава искусственным. Эта операция теперь почти всегда проходит успешно после того, как начали применяться конструкционные материалы из акриловой пластмассы и высокопрочных сплавов. Другим общеупотребительным устройством является искусственное стремечко из нержавеющей стали и тефлона (фторопласта) для замены крохотной ушной косточки, по форме похожей на стремя и располагающейся внутри среднего уха. С его помощью восстанавливают слух больным, страдающим глухотой из-за отосклероза (патологического разрастания костной ткани).

С появлением микроэлектроники стали возможными революционные изменения в области создания искусственных конечностей. У истоков кибернетического протезирования стояли советские специалисты. Первая биоэлектрическая рука, созданная А. Кобринским, с успехом демонстрировалась на многих международных конференциях. Развитие этого направления в наши дни также не остается незамеченным. Оно воплощено в новом изобретении студентов и молодых инженеров МВТУ имени Н. Баумана, получившем премию Ленинского комсомола за 1981 год, - механической руке, управляемой биопотенциалами мышц. Рука послушно и точно повторяет движение своего повелителя-оператора. Тот, в свою очередь, при перегрузке робота ощущает электрические сигналы. Почувствовав, что машине приходится слишком тяжело, оператор может вовремя уменьшить нагрузку. Это уже второе, очувствленное поколение биорук.

Активно ведутся эксперименты по созданию запчастей человеческих конечностей и за рубежом. Были разработаны так называемые "рука из Юты" и "бостонский локоть" (в создании которого участвовали четыре университета и исследовательских центра города Бостона). Эти искусственные конечности, имеющие привод, изготовлены преимущественно из легких композитных материалов на основе графита и пластмасс. Они снабжены аккумуляторными батареями, микроэлектронными схемами и наборами электродов, которые прикрепляются к плечевым мышцам. Люди с ампутированными руками учатся управлять этими устройствами в значительной мере так же, как естественными конечностями, - используются биологические обратные связи. Мозг посылает мышцам команду двигаться. Сокращаясь в ответ на эти сигналы, мышцы вырабатывают импульсы биотоков, которые можно зарегистрировать с помощью электродов на поверхности кожи. Отсюда сигналы передаются к искусственной конечности и преобразуются в движения. Чтобы поднять тяжелый предмет, весящий, скажем, 20 килограммов, инвалид просто напрягает мышцу. "С помощью этой руки нельзя играть на фортепиано или на скрипке, - говорит разработчик "руки из Юты" С. Джекобсен, - однако многим она эффективно заменяет утраченную конечность".

Инженеры-биомеханики создали также управляемый ЭВМ коленный сустав с голенью, известный под названием "колено МТИ" (МТИ - Массачусетский технологический институт). Внутри его имеется встроенный микропроцессор, осуществляющий приспособление устройства к индивидуальной походке человека.

Быстрый прогресс микроэлектроники является причиной революции в медицинской технике, которая приведет к созданию новых искусственных органов. Программируемые "инсулиновые насосы", которые носятся на ремне или вживляются в организм, заменяют поджелудочную железу, контролируя уровень сахара в крови у диабетиков. Также создано экспериментальное "электронное ухо" для больных, страдающих некоторыми разновидностями глухоты. Во внутреннее ухо им вживляются электроды, которые соединяются с крошечным микрофоном и интегральной схемой, носимыми на теле. Звук, преобразованный в электросигналы, возбуждает слуховой нерв, посылая в мозг электрический образ, воспринимаемый им в виде речи.

Но для более сложных органов даже современной техники недостаточно. Имплантируемое искусственное легкое, например, появится не скоро. Самое совершенное, чего удалось достичь на пути к искусственному легкому, - это клиническая плазмофоретическая установка для очистки крови от токсических веществ. Тем не менее некоторые специалисты убеждены, что большинство важных органов тела получит в конечном счете свои искусственные "двойники". "К исходу века каждый значительный орган, за исключением мозга и центральной нервной системы, будет иметь искусственные заменители", - говорит доктор У. Добелл. Его институт искусственных органов в Нью-Йорке проводит работы по замене поджелудочной железы, сердца, уха и глаза.

Один из самых интригующих экспериментов связан с электронным зрением. Исследователи из университета Западного Онтарио вживляли электроды в зрительную зону коры головного мозга. ЭВМ, соединенные с электродами, затем передавали в мозг электрические импульсы, и пациенты "видели" звездообразные образы, носящие название фосфенов. У. Добелл, который был пионером этих работ, говорит, что они, возможно, и не приведут к созданию "электронного глаза", но он представляет себе будущую модификацию подобного устройства с сотнями электродов, вживленных в мозг, с миниатюрной телекамерой внутри искусственного глазного яблока и с микро-ЭВМ, размещенной внутри оправы очков.

Но пока до этого еще далеко, во многих странах ведутся работы по созданию портативных переносных радарных устройств, чтобы облегчить слепым ориентирование в окружающем пространстве.

Уже созданные конструкторами аппараты действуют в ультразвуковом или микроволновом диапазонах, которые не воспринимаются человеческим ухом. Основная трудность создания подобного зрительного аппарата состоит в разработке устройства, способного четко и однозначно сообщить слепому результаты измерений, так как вся информация должна быть передана лишь в виде слуховых или осязательных сигналов. Ученые института визуализации данных в городе Сан-Франциско (США) работают над тем, чтобы расшифровку схематической "картинки", получаемой с помощью телекамеры, возложить на микропроцессор. Разработанное ими устройство способно распознавать воспринимаемое телеглазом изображение и трансформировать полученную информацию в синтезированную человеческую речь. Компьютер называет характер опознанного препятствия, его угловое положение относительно пути следования человека и расстояние до него.

Чтобы уличный шум не заглушил голосовую информацию, она дублируется с помощью вмонтированного в специальный пояс электромеханического вибратора.

Легкое постукивание о тело сообщает о направлении на объект. В первом опытном образце компьютерного зрения миниатюрную телеустановку носят за плечами. Изображение в числовом коде обрабатывается процессором. Например, две близко расположенные параллельные вертикальные контурные линии обозначаются термином "столб". Это и дерево, и фонарь, и труба. Связанные между собой вертикальные и горизонтальные контуры обозначаются термином "куб". Это и автобус, и почтовый ящик, и ларек. Микропроцессор формулирует соответствующую условную фразу и возбуждает в поясе один из шестнадцати вибрирующих элементов, расположение которого соответствует направлению, а высота тона - расстоянию. Согласно заложенной программе микропроцессор сообщает данные о препятствиях на пути каждые полсекунды, то есть при нормальной скорости пешехода через каждые полметра.

Кажется, что создание "искусственного человека" не такая уж далекая перспектива. Тогда окажется, что ситуация, описанная в рассказе Рэя Брэдбери "Судебный процесс", не так уж фантастична. Там шла речь о том, что фирма, занимающаяся протезированием, допротезировалась до того, что в ее клиенте, известном гонщике, уже не осталось ни одной "живой части", и так как он не оплатил в срок задолженность, фирма настаивала, что он теперь является ее собственностью.

По крайней мере "полноразмерные" копии человека, созданные в настоящее время, ведут себя, на зависть Анри Дро, совершенно "естественно". Вот, например заметка из парижской газеты "Интернешнл геральд трибюн" под названием "Роботы из семейства Мицуно".

Посреди лаборатории стоит С. Мицуно, а рядом с ним кукла в человеческий рост, точное подобие Мэрилин Монро - блондинка, с томными голубыми глазами, в платье с глубоким вырезом. Подобно заботливому отцу, С. Мицуно любовно разглаживает ее локоны, поправляет колье. Но вот "Мэрилин", как по волшебству, оживает. Она лучезарно улыбается, отвешивает поклон и, подыгрывая себе на гитаре, начинает петь. В такт дыханию у куклы поднимаются и опускаются розовые плечи, а когда она поет о чем-то грустном, то прикрывает глаза. Кончив петь, "Мэрилин" игриво подмигивает.

С. Мицуно, 44-летний художник и изобретатель, создал, кроме нее, еще девять кукол-роботов.

Первым его творением был "Томас Эдисон". За ним последовали "двойники" Джона Ф. Кеннеди, знаменитого артиста театра Кабуки Томасабуро Бандо и неизвестной японки, потом появилась целая семья фантастических существ - феи, русалки и свирепый самурай.

"Семейка С. Мицуно" мгновенно завоевала популярность. С середины 1970-х годов его куклы регулярно появляются на всех промышленных ярмарках и на экранах телевизоров. А токийский универмаг Кобэ взял "Мэрилин Монро" напрокат на все лето, чтобы привлекать покупателей.

Изготовлением роботов С. Мицуно начал заниматься в 60-х годах, когда японская электроника переживала бум. В ту пору уже существовали радиороботы. Но, по его мнению, они были "слишком медлительны и примитивны". С. Мицуно решил сконструировать своего робота, и через восемь лет появился "Томас Эдисон". Больше всего времени, как ни странно, потребовалось для воссоздания искусственной кожи, которая, по замыслу автора, не должна была отличаться от человеческой. С. Мицуно занялся химией и наконец получил мягкую, эластичную кожу из винила, которую он запатентовал.

Внутри "Мэрилин Монро" действует 80 соленоидов. "Именно столько мускулов занято в движениях живого человеческого тела и лица, которые кукла имитирует", - поясняет С. Мицуно.

Разумеется, до человеческого уровня этим игрушкам еще далеко, они всего лишь искусно копируют механические движения человека, однако свойства программируемости на ту или иную "манеру поведения" позволяют вполне оправданно относить их к роботам первого поколения.

Совсем другое дело - кибер, разработанный группой исследователей одной из токийских лабораторий робототехники. Это человекоподобный робот с руками, ногами, зрительным, слуховым и речевым аппаратом и обладающий "интеллектуальными" способностями на уровне двух-трехлетнего ребенка. Он может, в частности, выполнить просьбу отыскать что-либо в помещении и принести, а также отвечать на вопросы. Здесь, как читатель, вероятно, сумеет сам разобраться, мы имеем типичный пример робота третьего поколения, однако его антропоморфность ставит перед нами некоторые дополнительные философские проблемы.