现代机器人是如何发展起来的：“人类机器人将变得司空见惯”

今天，神经科学和机器人技术正在携手发展。 HSE 大学生物电接口中心的学术主管 Mikhail Lebedev 谈到了研究大脑如何激发机器人的发展。

机器人对神经科学很感兴趣，神经科学对机器人很感兴趣——这就是 Science Robotics 杂志上的文章“融合机器人技术和神经科学的神经工程挑战”的内容 .

这种合作开发有助于两个领域的进步，使我们更接近于开发更先进的机器人机器人，更深入地了解人脑的结构。并且，在某种程度上，将生物有机体与机器结合起来，创造出控制论有机体（半机械人）。

机器人的神经科学

机器人的妆容通常与人类相似。对于旨在模仿人类行为和行为的机器人来说，情况确实如此——神经科学对工业机器来说并不那么重要。

在机器人设计中使用的最明显的东西就是让它看起来像人。机器人通常有两条手臂、两条腿和一个头，即使从工程的角度来看这不是必需的。当机器人与人互动时，这一点尤其重要——看起来像我们的机器更容易信任。

不仅可以确保机器人的外观，而且可以确保机器人的“大脑”与人类相似。在开发感知、信息处理和控制机制时，工程师受到人类神经系统结构的启发。

例如，机器人的眼睛——可以在不同轴上移动的电视摄像机——模仿人类的视觉系统。基于人类视觉结构和视觉信号处理方式的知识，工程师根据相同的原理设计机器人的传感器。这样一来，机器人就可以被赋予人类在三个维度上看世界的能力。

人类有前庭眼反射：当我们移动时，眼睛会利用前庭信息进行稳定，从而使我们能够保持所看到画面的稳定性。

机器人身上可能还有加速度和方向传感器。这些有助于机器人将身体运动考虑在内，以稳定对外界的视觉感知并提高敏捷性。

此外，机器人可以像人类一样体验触觉——机器人可以有皮肤，可以感觉到被触摸。然后它不只是在空间中随机移动：如果它碰到障碍物，它会感觉到它并像人类一样对它做出反应。它还可以利用这种人工触觉信息来抓握物体。

机器人甚至可以模拟疼痛感：一些形式的身体接触感觉正常，而另一些会引起疼痛，这会极大地改变机器人的行为。它开始避免痛苦并发展出新的行为模式，也就是说它会学习——就像一个孩子第一次被热的东西烫伤一样。

不仅感觉系统，而且机器人的身体控制也可以类似于人类进行设计。在人类中，步行是由所谓的中枢节律发生器控制的——专门用于控制自主运动活动的神经细胞。有些机器人使用相同的想法来控制行走。

此外，机器人可以向人类学习。机器人可以以无数种方式执行动作，但如果它想模仿人类，它必须观察人类并尝试重复他们的动作。当它犯错时，它会将自己与人类执行相同操作的方式进行比较。

神经科学机器人

神经科学如何使用机器人？当我们建立一个生物系统模型时，我们开始更好地理解它的工作原理。因此，开发人类神经系统运动控制的机械和计算机模型使我们更接近于理解神经功能和生物力学。

在现代神经科学中使用机器人最有前途的领域是设计神经接口——使用大脑信号控制外部设备的系统。神经接口对于开发神经假体（例如，为失去肢体的人提供人造手臂）和外骨骼（人体的外部框架或骨骼）是必不可少的，以增加其力量或恢复失去的运动能力。

机器人可以通过双向接口与神经系统进行交互：神经系统可以向机器人发送指令信号，机器人通过其传感器将感觉信息返回给人类，通过刺激神经、神经末梢产生真实的感觉在皮肤或感觉皮层本身。

如果肢体丢失，这种反馈机制可以恢复肢体的感觉。它们对于机器人肢体的更精确运动也是必要的，因为我们是根据从手臂和腿接收到的感觉信息来纠正我们的运动。

这里出现了一个有趣的问题：我们是否应该通过神经接口来控制机器人的所有自由度？也就是说，我们应该如何向它发送具体的命令呢？

例如，我们可以“命令”机械臂拿起一瓶水，它会执行特定的操作：它会降低手臂、转动手臂、松开和握紧手上的手指——所有这些都是自己完成的。

这种方法称为组合控制——我们通过神经接口给出简单的命令，机器人内部的特殊控制器选择最佳实施策略。

或者我们可以创建一个无法理解“拿瓶子”命令的机制：它需要发送有关特定、详细动作的信息。

当前研究

神经科学家和机器人科学家研究大脑操作和机器人设备的各个方面。例如，在杜克大学，我在猴子身上进行了神经接口实验，因为接口需要直接连接到大脑区域才能使其准确工作，而这种实验干预并不总是可以在人类身上进行。

在我的一项研究中，一只猴子沿着一条小路行走，它负责腿部运动的运动皮层的活动被读取并触发机器人开始行走。与此同时，猴子在它面前的屏幕上观察着这个行走的机器人。

这只猴子使用反馈，因此它根据它在屏幕上看到的内容来纠正它的动作。这就是开发用于实现步行的最有效的神经接口的方法。

控制论的未来

这样的研究引导我们在未来进行创新发展。例如，创建一个外骨骼来恢复完全瘫痪的人的运动不再是一个遥不可及的幻想——这只是需要时间。

进展可能会因缺乏计算机能力而受阻，但过去十年来这里的发展也是巨大的。我们很可能很快就会看到我们周围的人使用轻便、舒适的外骨骼而不是轮椅或婴儿车出行。

人类机器人将变得司空见惯。

这种系统的商业开发正在世界各地进行，包括在俄罗斯。例如，著名的 ExoAtlet 项目正在开发用于运动障碍者康复的外骨骼。

HSE 生物电接口中心参与了这些机器的算法开发：中心负责人 Alexey Ossadtchi 教授和他的博士生开发了一种触发外骨骼行走运动的神经接口。

人形机器人的快速发展也正在成为现实。很可能我们很快就会让机器人四处走动，在很多方面模仿我们——像我们一样移动，像我们一样思考。他们将能够完成一些以前只有人类才能完成的工作。

显然，我们将看到机器人技术和神经科学的发展，这些领域将会融合。这不仅开辟了新的机遇，也带来了新的伦理问题，例如我们应该如何对待机器人机器人或人类机器人。

然而，到目前为止，人类在很多方面都优于机器人。我们的肌肉是最省钱的：吃一个三明治，你就会有足够的能量维持一整天。机器人半小时后电池没电了。

虽然它可能比人类强大得多，但它通常太重了。在优雅和能量容量优化方面——到目前为止，人类仍然优于机器人。

这种情况在不久的将来就会发生改变——成千上万的才华横溢的科学家和工程师正在朝着这个目标努力。

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