В НЦФМ научились управлять роботами силой мысли

Ученые разработали новую систему нейроуправления робототехническими комплексами, благодаря которой, например, парализованный человек в экзоскелете силой мысли заставит свое тело двигаться. Прорывное исследование выполнено в рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ).

Мозг-компьютер

«Системы нейроуправления позволяют управлять исполнительными устройствами без рук и манипуляторов — ​только сигналами головного мозга», — ​поясняет соавтор разработки, директор НИИ нейронаук Нижегородского государственного университета (ННГУ) им. Лобачевского, руководитель Центра нейроморфных вычислений Университета «Неймарк» Сусанна Гордлеева.

Эта технология относительно нова. В 2021 году компания Илона Маска Neuralink показала макаку, играющую в видеоигру без джойстика благодаря нейроинтерфейсу, или «мозгу-компьютеру». С его помощью информация передается на электронные устройства прямо из мозга. В 2024 году нейрочип впервые имплантировали человеку. А в этом году почти полностью парализованный житель Аризоны Брэдфорд Смит «заговорил». Нейрочип позволяет Смиту «печатать мозгом», текст озвучивает компьютер. Подобными технологиями, конечно, занимается не только Neuralink, разработки ведут во всех развитых странах (см. «На что способны нейроинтерфейсы»).

Подражая нейронам

«Важно, что мы впервые в России реализовали нейроинтерфейс на мемристорном устройстве, имитирующем принцип работы головного мозга, — ​рассказывает Сусанна Гордлеева. — ​В мозге человека синапсы — ​это места контактов нейронов, где происходит передача сигналов. Синапс в электронике воплощает мемристор».

В отличие от резистора, сопротивление которого постоянно, сопротивление мемристора меняется в зависимости от прошедшего через него электрического заряда. Он запоминает количество заряда и сохраняет эту информацию в виде своего сопротивления, что очень напоминает поведение синапса биологического нейрона: чем интенсивнее входной сигнал, тем выше пропускная способность синапса.

Почему ученые подражают природе? Мозг — весьма энергоэффективная «машина». ​Выполняя сложные функции, он использует всего порядка 500 ккал в сутки, что соответствует 20 Вт энергии. «Чем сложнее действие, тем больше сигналов мозга нужно зарегистрировать и обработать, — ​говорит соавтор разработки, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории мемристорной наноэлектроники ННГУ Сергей Щаников. — ​Благодаря компактности и быстродействию мемристоров для этого не понадобятся дополнительные компьютерные мощности. Нейросигналы можно обрабатывать на миниатюрных мобильных вычислителях и передавать системе управления по беспроводной связи. Новая электронная компонентная база позволит снизить энергопотребление — ​а значит, уменьшить вес и размер устройства».

Чип и шлем

Макет системы нейроуправления робототехническими комплексами на основе мемристоров собрали в учебном дизайн-центре электроники ННГУ при участии ученых Университета «Неймарк». Чип никому не вживляли — ​электрические сигналы головного мозга регистрирует электроэнцефалографический шлем с электродами. Второй элемент системы — ​усилитель сигнала. Третий — ​классификатор, блок с мемристорным чипом, который помогает машине понять, чего хочет человек. С одного элемента на другой сигнал передается по вайфаю. «Вся электроника, которую мы используем,​отечественная», — ​подчеркивает заведующий научно-исследовательской лабораторией мемристорной наноэлектроники ННГУ Алексей Михайлов.

Во время тестов оператор в шлеме управлял игрушечной машинкой. «Пока мы отработали три типа команд: движение вперед и назад, поворот налево и направо, покой, — ​говорит Сусанна Гордлеева. — ​В дальнейшем нейроморфные суперэнергоэффективные вычислители позволят создавать портативные устройства, которые найдут применение во всех сферах деятельности человека».

Ожидается, что новая система заинтересует прежде всего медицинских робототехников. Ученые продолжат совершенствовать свою разработку в сторону мультимодальности. Они рассчитывают, что научат машины считывать не только сигналы мозга, но и, например, движение зрачков или реакцию мышц на электрические сигналы от нервов.

Справка

Система нейроуправления разработана в рамках научной программы НЦФМ «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах». Помимо ННГУ в проекте участвуют НИИ измерительных систем им. Седакова («Росатом»), научно-исследовательская лаборатория стохастических мультистабильных систем Научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» и Университет «Неймарк».

НЦФМ — ​флагманский проект Десятилетия науки и технологий. Среди учредителей центра — ​«Росатом», МГУ им. Ломоносова, Российская академия наук.

Немного о нервных клетках

Головной мозг, спинной и периферическая нервная система состоят из нервных клеток — ​нейронов. В головном мозге их примерно 86 млрд. Нейрон состоит из тела, аксона — ​длинной проводной части, которая передает нервные импульсы, и дендритов — ​коротких отростков, которые получают сигналы от других нейронов (или клеток другого типа). Обеспечивают связь между нейронами и позволяют регулировать амплитуду и частоту сигнала более 100 трлн синапсов. Они бывают электрические и химические, а по типу клеток, которые соединяют, — ​нейро-нейрональные, нервно-мышечные и нейросекреторные.

На что способны нейроинтерфейсы

• Американская Synchron, как и Neuralink, вживляет нейрочипы людям. Ее устройство Stentrode имплантируется через яремную вену, как коронарный стент. По кровотоку оно попадает в мозг и раскрывается в области моторной коры. Сигналы мозга принимают 16 электродов и передают по тончайшему проводу на второй имплант, в грудной клетке, который поддерживает беспроводную связь с компьютером.
• В Университете Цинхуа (Китай) с помощью мозгового импланта парализованному пациенту вернули подвижность руки. Устройство Neural Electronic Opportunity накладывается поверх нервной ткани в эпидуральное пространство между мозгом и черепом. Китайцы говорят: так безопаснее.
• В Центре биоэлектрических интерфейсов Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» разработали технологию мгновенной нейрообратной связи iNeurofeedback, которая сигнализирует об изменении параметра работы мозга. Узнавая причинно-следственную связь между конкретным параметром и своим состоянием, человек учится биоуправлению. Технология может стать средством борьбы с такими неврологическими расстройствами, как синдром дефицита внимания и гиперактивности, эпилепсия, депрессия и проч.