L'avenir de la robotique : comment les robots modernes sont créés et pourquoi les cyborgs humains deviennent monnaie courante

Aujourd'hui, les neurosciences et la robotique se développent main dans la main. Mikhail Lebedev, superviseur académique au Centre d'Interfaces Bioélectriques de l'Université HSE, a parlé de la façon dont l'étude du cerveau inspire le développement des robots.

Les robots sont intéressants pour les neurosciences et les neurosciences sont intéressantes pour les robots – c'est ce dont parlait l'article « Neuroengineering challenges of fusing robotics and neuroscience » dans la revue Science Robotics. Un tel développement collaboratif contribue au progrès dans les deux domaines, nous rapprochant du développement de robots androïdes plus avancés et d'une compréhension plus profonde de la structure du cerveau humain. Et, dans une certaine mesure, de la combinaison d'organismes biologiques avec des machines, pour créer des organismes cybernétiques (cyborgs).

Neurosciences pour les robots

Les robots ressemblent souvent aux humains dans leur constitution. Cela est vrai pour les robots destinés à imiter les actions et comportements humains – les neurosciences sont moins importantes pour les machines industrielles. La chose la plus évidente à utiliser dans la conception d'un robot est de le faire ressembler à un humain. Les robots ont souvent deux bras, deux jambes et une tête, même si ce n'est pas nécessaire d'un point de vue ingénierie. C'est particulièrement important quand le robot interagira avec les gens – une machine qui nous ressemble est plus facile à faire confiance.

Il est possible de s'assurer que non seulement l'apparence, mais aussi le « cerveau » du robot ressemble à celui d'un humain. En développant les mécanismes de perception, de traitement de l'information et de contrôle, les ingénieurs s'inspirent de la structure du système nerveux humain. Par exemple, les yeux d'un robot – des caméras TV qui peuvent bouger sur différents axes – imitent le système visuel humain. Basé sur la connaissance de la structure de la vision humaine et du traitement du signal visuel, les ingénieurs conçoivent les capteurs du robot selon les mêmes principes. Ainsi, le robot peut être doté de la capacité humaine de voir le monde en trois dimensions, par exemple.

Les humains ont un réflexe vestibulo-oculaire : les yeux appliquent une stabilisation en utilisant l'information vestibulaire quand nous bougeons, nous permettant de maintenir la stabilité de l'image que nous voyons. Il peut aussi y avoir des capteurs d'accélération et d'orientation sur le corps d'un robot. Ceux-ci aident le robot à prendre en compte les mouvements du corps pour stabiliser la perception visuelle du monde extérieur et améliorer l'agilité. En outre, un robot peut expérimenter le sens du toucher comme un humain – un robot peut avoir une peau, il peut sentir le toucher. Et puis il ne se déplace pas juste aléatoirement dans l'espace : s'il touche un obstacle, il le sent et y réagit comme un humain le fait. Il peut aussi utiliser cette information tactile artificielle pour saisir des objets.

Les robots peuvent même simuler des sensations de douleur : certaines formes de contact physique semblent normales et d'autres causent de la douleur, ce qui change radicalement le comportement du robot. Il commence à éviter la douleur et à développer de nouveaux schémas de comportement, c'est-à-dire qu'il apprend – comme un enfant qui s'est brûlé pour la première fois avec quelque chose de chaud. Non seulement les systèmes sensoriels, mais aussi le contrôle du corps d'un robot peut être conçu analogiquement à celui des humains. Chez les humains, la marche est contrôlée par ce qu'on appelle des générateurs de rythme centraux – des cellules nerveuses spécialisées conçues pour contrôler l'activité motrice autonome. Il y a des robots dans lesquels la même idée est utilisée pour contrôler la marche. En plus, les robots peuvent apprendre des humains. Un robot peut effectuer des actions d'une infinité de façons, mais s'il veut imiter un humain, il doit observer l'humain et essayer de répéter ses mouvements. Quand il fait des erreurs, il se compare à la façon dont un humain effectue la même action.

Robots pour les neurosciences

Comment les neurosciences peuvent-elles utiliser les robots ? Quand nous construisons un modèle d'un système biologique, nous commençons à mieux comprendre les principes par lesquels il fonctionne. Par conséquent, le développement de modèles mécaniques et informatiques du contrôle du mouvement du système nerveux humain nous rapproche de la compréhension des fonctions neurologiques et de la biomécanique. Et le domaine le plus prometteur de l'utilisation des robots dans les neurosciences modernes est la conception de neuro-interfaces – systèmes pour contrôler des dispositifs externes en utilisant des signaux cérébraux. Les neuro-interfaces sont nécessaires pour le développement de neuroprothèses (par exemple, un bras artificiel pour les personnes ayant perdu un membre) et d'exosquelettes – cadres ou squelettes externes pour un corps humain pour augmenter sa force ou restaurer la capacité motrice perdue.

Un robot peut interagir avec le système nerveux par une interface bidirectionnelle : le système nerveux peut envoyer un signal de commande au robot, et le robot depuis ses capteurs peut retourner de l'information sensorielle à l'humain, causant de vraies sensations en stimulant les nerfs, les terminaisons nerveuses dans la peau, ou le cortex sensoriel lui-même. De tels mécanismes de rétroaction permettent de restaurer la sensation d'un membre s'il a été perdu. Ils sont aussi nécessaires pour des mouvements plus précis du membre robotique, car c'est sur la base de l'information sensorielle reçue des bras et jambes que nous corrigeons nos mouvements.

Une question intéressante se pose ici : devrions-nous contrôler tous les degrés de liberté du robot par une interface neuronale ? En d'autres termes, comment devrions-nous envoyer des commandes spécifiques ? Par exemple, nous pouvons « ordonner » au bras robotique de prendre une bouteille d'eau, et il effectuera des opérations spécifiques : il baissera son bras, le tournera, et déploiera et refermera les doigts de sa main – tout seul. Cette approche s'appelle le contrôle combiné – nous donnons des commandes simples via une interface neuronale, et un contrôleur spécial à l'intérieur du robot sélectionne la meilleure stratégie d'implémentation. Ou nous pouvons créer un mécanisme qui ne comprendra pas la commande « prends la bouteille » : il a besoin qu'on lui envoie des informations sur des mouvements spécifiques et détaillés.

Études actuelles

Les neuroscientifiques et scientifiques robotiques étudient divers aspects du fonctionnement du cerveau et des dispositifs robotiques. Par exemple, à l'Université Duke, j'ai mené des expériences avec des interfaces neuronales sur des singes, car les interfaces doivent être directement connectées aux zones du cerveau pour qu'elles fonctionnent avec précision et de telles interventions expérimentales ne sont pas toujours possibles sur les humains. Dans l'une de mes études, un singe marchait le long d'un chemin et l'activité de son cortex moteur, responsable du mouvement des jambes, était lue et déclenchait un robot pour commencer à marcher. En même temps, le singe observait ce robot marcheur sur un écran placé devant lui. Le singe utilisait la rétroaction, donc il corrigeait ses mouvements basés sur ce qu'il voyait à l'écran. C'est ainsi que sont développées les interfaces neuronales les plus efficaces pour implémenter la marche.

L'avenir cybernétique

De telles recherches mènent à des développements innovants dans le futur. Par exemple, créer un exosquelette pour restaurer les mouvements de personnes complètement paralysées ne semble plus comme une fantaisie inaccessible – cela prend juste du temps. Le progrès peut être freiné par le manque de puissance informatique, mais le développement au cours des dix dernières années a aussi été énorme ici. Il est probable que nous verrons bientôt des gens autour de nous utiliser des exosquelettes légers et confortables plutôt que des fauteuils roulants ou poussettes pour se déplacer. Les cyborgs humains deviendront monnaie courante. Le développement commercial de tels systèmes a lieu partout dans le monde, y compris en Russie. Par exemple, le célèbre projet ExoAtlet développe des exosquelettes pour la réhabilitation de personnes handicapées moteurs. Le Centre HSE pour les Interfaces Bioélectriques a participé au développement d'algorithmes pour ces machines : le Chef du Centre, Professeur Alexey Ossadtchi, et ses doctorants ont développé une neuro-interface qui déclenche les mouvements de marche de l'exosquelette.

Le développement rapide de robots humanoïdes devient aussi une réalité. Il est probable que nous aurons bientôt des robots marchant autour de nous en nous imitant à bien des égards – bougeant comme nous et pensant comme nous. Ils pourront faire certains travaux auparavant disponibles seulement aux humains. Évidemment, nous verrons le développement de la robotique et des neurosciences, et ces domaines convergeront. Cela n'ouvre pas seulement de nouvelles opportunités, mais crée aussi de nouvelles questions éthiques, comme comment nous devrions traiter les robots androïdes ou les cyborgs humains. Et pourtant, jusqu'à présent, les humains sont meilleurs que les robots à bien des égards. Nos muscles sont les plus économes : mangez un sandwich et vous aurez assez d'énergie pour toute la journée. Le robot aura une batterie à plat en une demi-heure. Et bien qu'il puisse être beaucoup plus puissant qu'un humain, il est souvent trop lourd. Quand il s'agit d'élégance et d'optimisation de la capacité énergétique – jusqu'à présent, un humain est encore supérieur à un robot. Ce n'est pas loin dans le futur quand cela changera – il y a des dizaines de milliers de scientifiques et ingénieurs talentueux qui travaillent vers cet objectif. De notre site partenaire, Science and Technology News