Биоробототехника

Кибернетика исследует системы связи и управления у живых организмов и машин и может сочетаться с различными областями знаний — биологией, математикой, информатикой, инженерией и другими.

Данная дисциплина входит в состав биоробототехники, поскольку исследует взаимодействие биологических и механических систем. Изучение этих процессов позволяет проводить продвинутый анализ функций и взаимодействий в каждой системе.

Кибернетическая теория насчитывает несколько столетий, начиная с эпохи Платона, который применял этот термин в значении «управления людьми». В середине XIX века термин cybernetique встречается у физика Андре-Мари Ампера^[2]. В конце 1940-х годов термин кибернетика получил широкое распространение как обозначение дисциплины, смежной с электротехникой, математикой и биологией, но самостоятельной^[2].

Кибернетика часто неверно трактуется из-за широты охвата наук. В начале XX века она формируется как междисциплинарное направление, сочетающее биологию, науки, теорию сетей и инженерию. Сегодня охватывает все области науки, изучающие системы. Главная цель кибернетики — анализировать процессы и системы с целью повышения их эффективности^[2].

Кибернетика охватывает все научные области, связанные с системным подходом: биологию, математику, информатику, инженерию, менеджмент, психологию, социологию, искусство и др. Её методы позволяют выявлять принципы организации систем, адаптацию организмов, анализ информации и многое другое^[3].

Генная инженерия — область науки и техники, применяющая современные технологии для изменения живых организмов. С помощью различных методов учёные могут изменять генетический материал микроорганизмов, растений и животных, наделяя их желательными признаками — например, делая растения более продуктивными^[4]. Генная инженерия входит в биоробототехнику, так как использует новые технологии для изменения биологических систем и ДНК в интересах отдельного организма и общества^[5].^[6]

На протяжении тысячелетий люди изменяли генетику животных и растений посредством искусственного отбора (например, превращение зёрен теосинте в кукурузу, а волков — в собак), однако «генная инженерия» подразумевает преднамеренное внедрение или изменение конкретных генов в ДНК организма. Первый успешный эксперимент проведён в 1973 году Гербертом Бойером и Стэнли Коэном, которые пересадили ген, отвечающий за устойчивость к антибиотикам, в бактерию.^[7][8][9]

В генной инженерии широко применяются три основных метода: плазмидный, векторный и биолистический.

Этот метод преимущественно используется для микроорганизмов, например, бактерий. Плазмиды выделяют из бактерий, обрабатывают рестриктазами, в результате чего образуются «липкие» участки ДНК, способные соединяться с другой ДНК. Полученные фрагменты соединяют с ДНК другого организма, встраивая новые гены^[10].

Этот способ более точен, чем плазмидный: переносится отдельный ген, а не целая последовательность. Гён выделяют рестриктазами и вводят во вектор, который затем переносят в клетку-реципиент^[10].

Этот метод, чаще применяемый для растений, предусматривает встраивание желаемого гена, прикреплённого к частицам золота или вольфрама, и «выстрел» их в клетки при помощи специального «гена-пушки». Частицы проникают через клеточную стенку и внедряют новую ДНК^[11].

Генная инженерия находит применение в медицине, исследовательской деятельности и сельском хозяйстве. В медицине генетически модифицированные бактерии используют для получения лекарств (например, инсулина, гормонов роста человека, вакцин). В биологических исследованиях организмы модифицируют для изучения роли отдельных генов. В сельском хозяйстве генная инженерия обеспечивает создание культур, устойчивых к гербицидам и вредителям (например, BTCorn)^[12].^[13]

Бионика — область медицинской инженерии и раздел биоробототехники, разрабатывающий электрические и механические устройства, имитирующие биологические системы (протезы, слуховые аппараты). Само слово образовано от английских «biology» и «electronics».

История бионики восходит к Древнему Египту, где у мумии была обнаружена изготовленная из дерева и кожи протезная фаланга большого пальца. Бионические протезы существовали также в Древней Греции и Риме; там для солдат-ампутантов создавали протезы ног и рук. В начале XVI века французский хирург Амбруаз Паре считается одним из пионеров бионики. Он разработал несколько типов протезов, в том числе механическую кисть Le Petit Lorrain, снабжённую пружинами и защёлками. В начале XIX века Алессандро Вольта заложил основы для появления слуховых аппаратов: он установил, что электрическая стимуляция может восстанавливать слух при воздействии на саккулярный нерв пациента. В 1945 году Национальная академия наук США основала Программу искусственных конечностей для совершенствования протезирования, что способствовало развитию современных бионических технологий^[14].

Основные компоненты современных протезов — пирамидальный каркас (пайлон), гнездо (соединительная часть) и подвесная система. Пайлон изготавливают из металлических стержней или углепластика, гнездо обеспечивает надёжное и комфортное крепление протеза к конечности, а подвесная система удерживает его на месте при помощи ремней или иных креплений.

Варианты управления протезом включают: тяговое (соединяется тросиками с телом), внешнее питание (электродвигатели, кнопки, переключатели), или миоэлектрическое управление. В последнем случае электроды фиксируют мышечные сокращения над культи и преобразуют их в управляющие сигналы для протеза. Для корректной работы такая система требует точной настройки сенсоров^[15]. Протезы бренда TrueLimb используют миоэлектрические сенсоры, обеспечивающие высокий уровень управляемости^[15].

Четыре основных компонента слухового аппарата: микрофон, усилитель, приёмник и батарея. Микрофон улавливает звук, преобразует его в электрические сигналы и передаёт на усилитель. Усилитель увеличивает сигнал и посылает его на приёмник, который преобразует электричество обратно в звук и направляет его в ухо. Рецепторные клетки распознают вибрации, преобразуют их в нервные импульсы, которые поступают в мозг для интерпретации. Батарея питает устройство^[16].

Кохлеарные имплантаты — разновидность слуховых аппаратов, предназначенная для глухих. Имплантаты стимулируют слуховой нерв электрическими сигналами напрямую, в отличие от традиционных слуховых аппаратов, которые передают звук только в наружный слуховой проход.

Эти слуховые аппараты крепятся к костям среднего уха, чтобы передавать звуковые вибрации через скелет к улитке — полезны при тяжёлых формах потери слуха.

Искусственная сенсорная кожа распознаёт давление и предназначена для людей, утративших тактильную чувствительность (например, при периферической нейропатии).

Бионический глаз — биоэлектронный имплантат, в разработке для восстановления зрения у слепых. Современные технологии позволяют некоторым пациентам различать буквы^[17].

Имитация сетчатки — сложная задача, требующая высокой плотности фоторецепторов и сложной оптики. Ещё большей сложностью остаётся интеграция с нейросетями организма. Тем не менее, исследования и прототипирование за последние годы позволили добиться крупных успехов^[17].

В ортопедической бионике применяют протезы, управление которыми построено на взаимодействии с нейромышечной системой пользователя. Прорыв в понимании работы мозга способствовал разработке интерфейсов мозг-компьютер (brain-machine interfaces, BMIs)^[18], которые позволяют управлять движениями протеза посредством мыслей^[18]. BMIs способствуют восстановлению самостоятельных движений у пользователей бионических конечностей и экзоскелетов^[18].

Эндоскопические роботы способны, например, удалять полипы в ходе колоноскопии.

Био-гибридные роботы — это механические системы, в которых интегрированы биологические компоненты^[19]. Например, дрон с биологическими обонятельными сенсорами — антеннами, извлечёнными из самцов шелкопрядов, для локализации источников запаха^[20].

Взаимодействие животных и роботов — раздел биоробототехники, изучающий интеграцию робототехнических устройств с отдельными животными или популяциями животных^[21]. Выделяют два основных подхода: взаимодействие роботов с отдельными животными и с популяциями животных. Первый используется, например, при создании зоокиборгов, способных использовать моторные преимущества животных^[22], второй — при этологических исследованиях поведения групп животных^[23]. Не все случаи вписываются в эту схему: например, этологические роботы могут взаимодействовать с каждым животным индивидуально^[24], а в случае общественных животных взаимодействуют супероорганизм и отдельный робот. Такой симбиоз называют био-гибридным супероорганизмом; он позволяет управлять группой и изучать её поведение.^[25][26]

В смешанном обществе объединяются популяции живых животных (естественное сообщество) и группы робототехнических устройств (искусственное сообщество). Термин «общество» здесь условен — предпочтительнее говорить о популяциях^[21].

Как правило, «роботическое население» составляют устройства, имитирующие поведение определённых животных и интегрированные в природную популяцию. Для этого роботы излучают стимулы, воспринимаемые животными, — визуальные, тепловые, вибрационные и т. д. Степень интеграции оценивается понятием биоакцептации, от которой зависит успешность дальнейших этологических исследований^[27].

При налаживании коммуникации смешанное сообщество — животные и роботы — проявляет адаптивное поведение. Роботы реагируют на поведение животных, динамически приспосабливаясь к группе, что позволяет изучать коллективное поведение популяций, моделировать различные роли и социальные взаимодействия. Такой подход совмещает эксперимент с математическим моделированием и помогает раскрыть механизмы коллективного поведения^[28].