Como os robôs modernos são desenvolvidos

Resumo: Os pesquisadores falam sobre como o estudo do cérebro levou a avanços significativos no desenvolvimento de robôs.

Fonte: HSE

Hoje, a neurociência e a robótica estão se desenvolvendo lado a lado. Mikhail Lebedev, Supervisor Acadêmico do Centro de Interfaces Bioelétricas da HSE University, falou sobre como estudar o cérebro inspira o desenvolvimento de robôs.

Os robôs são interessantes para a neurociência e a neurociência é interessante para os robôs – é sobre isso que o artigo ‘Desafios da Neuroengenharia de fundir robótica e neurociência’, publicado no jornal Ciência Robótica. Esse desenvolvimento colaborativo contribui para o progresso em ambos os campos, aproximando-nos do desenvolvimento de robôs Android mais avançados e de uma compreensão mais profunda da estrutura do cérebro humano. E, até certo ponto, combinar organismos biológicos com máquinas, para criar organismos cibernéticos (ciborgues).

Neurociência para robôs

Os robôs geralmente se parecem com os humanos em sua constituição. Isso é verdade para robôs que se destinam a imitar as ações e o comportamento humanos – a neurociência é menos importante para as máquinas industriais.

A coisa mais óbvia a se usar no projeto de um robô é fazer com que pareça humano. Os robôs geralmente têm dois braços, duas pernas e uma cabeça, mesmo que não seja necessário do ponto de vista da engenharia. Isso é especialmente importante quando o robô interagir com pessoas – uma máquina que se parece conosco é mais fácil de confiar.

É possível garantir que não apenas a aparência, mas também o ‘cérebro’ do robô se assemelhe ao de um humano. Ao desenvolver os mecanismos de percepção, processamento de informações e controle, os engenheiros são inspirados pela estrutura do sistema nervoso humano.

Por exemplo, os olhos de um robô – câmeras de TV que podem se mover em eixos diferentes – imitam o sistema visual humano. Com base no conhecimento de como a visão humana é estruturada e como o sinal visual é processado, os engenheiros projetam os sensores do robô de acordo com os mesmos princípios. Desta forma, o robô pode ser dotado da capacidade humana de ver o mundo em três dimensões, por exemplo.

Os seres humanos têm um reflexo vestíbulo-ocular: os olhos aplicam a estabilização usando as informações vestibulares quando nos movemos, o que nos permite manter a estabilidade da imagem que vemos. Também pode haver sensores de aceleração e orientação no corpo de um robô. Isso ajuda o robô a levar em consideração os movimentos do corpo para estabilizar a percepção visual do mundo exterior e melhorar a agilidade.

Além disso, um robô pode experimentar a sensação do toque como um humano – um robô pode ter pele, pode sentir que é tocado. E então ele não se move aleatoriamente no espaço: se tocar um obstáculo, ele o sente e reage a ele exatamente como um humano. Ele também pode usar essas informações táteis artificiais para agarrar objetos.

Os robôs podem até simular sensações de dor: algumas formas de contato físico parecem normais e outras causam dor, o que muda drasticamente o comportamento do robô. Começa a evitar a dor e desenvolve novos padrões de comportamento, ou seja, aprende – como uma criança que foi queimada por algo quente pela primeira vez.

Não apenas os sistemas sensoriais, mas também o controle do corpo de um robô pode ser projetado de forma análoga ao dos humanos. Em humanos, a caminhada é controlada pelos chamados geradores de ritmo central – células nervosas especializadas projetadas para controlar a atividade motora autônoma. Existem robôs nos quais a mesma ideia é usada para controlar o andar.

Além disso, os robôs podem aprender com os humanos. Um robô pode realizar ações de um número infinito de maneiras, mas se quiser imitar um humano, deve observar o humano e tentar repetir seus movimentos. Quando comete erros, ele se compara ao modo como um ser humano realiza a mesma ação.

Robôs para Neurociências

Como a neurociência pode usar robôs? Quando construímos um modelo de sistema biológico, começamos a entender melhor os princípios pelos quais ele funciona. Portanto, o desenvolvimento de modelos mecânicos e computacionais de controle do movimento do sistema nervoso humano nos aproxima da compreensão das funções neurológicas e da biomecânica.

E a área mais promissora do uso de robôs na neurociência moderna é no projeto de neurointerfaces – sistemas para controlar dispositivos externos usando sinais cerebrais. Neurointerfaces são necessárias para o desenvolvimento de neuropróteses (por exemplo, um braço artificial para pessoas que perderam um membro) e exoesqueletos – estruturas externas ou esqueletos de um corpo humano para aumentar sua força ou restaurar a capacidade motora perdida.

Um robô pode interagir com o sistema nervoso por meio de uma interface bidirecional: o sistema nervoso pode enviar um sinal de comando para o robô, e o robô de seus sensores pode retornar informações sensoriais ao humano, causando sensações reais ao estimular nervos, terminações nervosas na pele ou no próprio córtex sensorial. Esses mecanismos de feedback tornam possível restaurar a sensação de um membro se ele foi perdido. Eles também são necessários para movimentos mais precisos do membro robótico, pois é com base nas informações sensoriais recebidas dos braços e das pernas que corrigimos nossos movimentos.

Há uma questão interessante que surge aqui: Devemos controlar todos os graus de liberdade do robô por meio de uma interface neural? Em outras palavras, como devemos enviar comandos específicos para ele? Por exemplo, podemos “ordenar” ao braço robótico que pegue uma garrafa de água e ele realizará operações específicas: irá abaixar o braço, girá-lo, abrir e fechar os dedos da mão – tudo por conta própria. Essa abordagem é chamada de controle combinado – damos comandos simples por meio de uma interface neural e um controlador especial dentro do robô seleciona a melhor estratégia para implementação. Ou podemos criar um mecanismo que não irá entender o comando ‘pegar a garrafa’: ele precisa receber informações sobre movimentos específicos e detalhados.

Estudos atuais

Neurocientistas e cientistas robóticos estudam vários aspectos da operação do cérebro e dispositivos robóticos. Por exemplo, na Duke University conduzi experimentos com interfaces neurais em macacos, uma vez que as interfaces precisam ser conectadas diretamente às áreas do cérebro para que funcionem com precisão e tais intervenções experimentais nem sempre são possíveis de serem realizadas em humanos.

Em um de meus estudos, um macaco percorreu um caminho e a atividade de seu córtex motor, responsável pelo movimento das pernas, foi lida e acionou um robô para começar a andar. Ao mesmo tempo, o macaco observou esse robô andando em uma tela colocada à sua frente.

O macaco usou feedback, então corrigiu seus movimentos com base no que viu na tela. É assim que as interfaces neurais mais eficazes para implementar a caminhada são desenvolvidas.

O Futuro Cibernético

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Isso mostra a luva

Essa pesquisa nos leva a desenvolvimentos inovadores no futuro. Por exemplo, criar um exoesqueleto para restaurar os movimentos de pessoas completamente paralisadas não parece mais uma fantasia inatingível – leva tempo. O progresso pode ser travado pela falta de capacidade do computador, mas o desenvolvimento nos últimos dez anos também foi enorme aqui. É provável que em breve veremos as pessoas ao nosso redor usando exoesqueletos leves e confortáveis ​​em vez de cadeiras de rodas ou carrinhos de bebê para se locomover. Os ciborgues humanos se tornarão comuns.

Isso mostra uma mulher e um robô olhando um para o outro
Os robôs geralmente se parecem com os humanos em sua constituição. Isso é verdade para robôs que se destinam a imitar as ações e o comportamento humanos – a neurociência é menos importante para as máquinas industriais. A imagem é de domínio público

O desenvolvimento comercial de tais sistemas está ocorrendo em todo o mundo, inclusive na Rússia. Por exemplo, o famoso projeto ExoAtlet está desenvolvendo exoesqueletos para a reabilitação de pessoas com deficiência motora. O HSE Center for Bioelectric Interfaces participou do desenvolvimento de algoritmos para essas máquinas: Center Head, Professor Alexey Ossadtchi, e seus alunos de doutorado desenvolveram uma neurointerface que aciona os movimentos de caminhada do exoesqueleto.

O rápido desenvolvimento de robôs humanóides também está se tornando uma realidade. É provável que em breve teremos robôs andando por aí nos imitando em muitos aspectos – movendo-se como nós e pensando como nós. Eles serão capazes de fazer parte do trabalho anteriormente disponível apenas para humanos.

Obviamente, veremos o desenvolvimento da robótica e da neurociência, e esses campos convergirão. Isso não apenas abre novas oportunidades, mas também cria novas questões éticas, por exemplo, como devemos tratar robôs andróides ou ciborgues humanos.

E, no entanto, até agora, os humanos são melhores do que os robôs em muitos aspectos. Nossos músculos são os mais econômicos: coma um sanduíche e você terá energia suficiente para o dia todo. O robô terá uma bateria descarregada em meia hora. E embora possa ser muito mais poderoso do que um humano, geralmente é muito pesado. Quando se trata de elegância e otimização da capacidade de energia – até agora, um ser humano ainda é superior a um robô.

Não está muito longe no futuro quando isso vai mudar – há dezenas de milhares de cientistas e engenheiros talentosos trabalhando para esse objetivo.

Sobre esta notícia de pesquisa de robótica

Fonte: HSE
Contato: Liudmila Mezentseva – HSE
Imagem: A imagem é de domínio público

Pesquisa original: Acesso fechado.
“Desafios da neuroengenharia de fundir robótica e neurociência”, de Mikhail Lebedev et al. Ciência Robótica


Resumo

Desafios da neuroengenharia de fundir robótica e neurociência

Os roboticistas estão usando os insights da neurociência para construir robôs de melhor desempenho. Esta fusão de robótica e neurociência representa uma abordagem de neuroengenharia – um domínio de pesquisa nascente que está reunindo neurociência, robótica e inteligência artificial. Este artigo destaca as perspectivas passadas e atuais e os principais desafios futuros na interseção da robótica e da neurociência.

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