Фантомное чувство

Фантомная наука. Факты, положенные в основу «Фантомного чувства»

ОБРАЩЕНИЕ К ЗАНУДЛИВЫМ СКЕПТИКАМ: в этой статье описывается, насколько близко мы подошли к созданию Восприятия, которое является главным научно-фантастическим допущением короткой повести «Фантомное чувство». Чтобы понять статью, читать повесть не обязательно, но статья раскрывает кое-какие содержащиеся в прозе секреты.

Десять лет назад компания, называющаяся WiCab, приобрела защитную каску, какую используют строительные рабочие, и пристроила к ней акселерометр — прибор, измеряющий силу движения (и гравитации) в любом направлении. Выход от акселерометра шел на компьютер, где сигнал обрабатывался, преобразовывался и через 100 крошечных электродов подавался с помощью специального загубника на язык человека, носившего каску.

Целью этого эксперимента было дать возможность людям с нарушениями равновесия почувствовать «вкус» равновесия, сигналы о состоянии которого они ощущали как мягкое покалывание и пощипывание на языке. Если вы стоите прямо, то чувствуете покалывание в центре языка. Если вы покачнетесь, то сместится и зона сигнала. Ваша задача — научиться стоять так, чтобы сигнал ощущался только по центру, где он «должен» быть.

«Идея очень проста, — заявил один из изобретателей, Митч Тайлер, в интервью журналу выпускников Висконсинского университета в Мэдисоне. — Попробуйте приложить к чьей-нибудь макушке палец, чтобы указать: вы держитесь прямо. Если вы наклоните голову, то почувствуете: палец скользит в какую-то сторону, и вы, естественно, возвращаете голову в исходное положение, чтобы восстановить состояние. Вы просто корректируете отклонения в вашем положении в соответствии с показаниями этого «маркера».

И это работает. Причем поразительно хорошо и поразительно быстро — человек обучается фактически за какие-то минуты.

«Как только испытуемый усваивает, что ощущения на языке связаны с его ориентацией в пространстве, вступает в силу интуиция, — говорит Тайлер. — Все очень быстро перемещается из сознательной сферы в подсознательную».

Устройство, которое сейчас продается под названием BrainPort (Мозговой Портал), является ранним предшественником Восприятия, с которым работает герой повести Кип Маккорбин.

В повести Кип использует имплантанты в виде татуировки для управления роем насекомых-киборгов, снабженных микросенсорами, дающими ему возможность видеть и слышать на удалении. Сенсоры наподобие детекторов лжи позволяют ему также считывать эмоции людей на расстоянии около 500 метров, помогая обнаруживать опасность (расстояние ограничивается единственным фактором — возможностью насекомого нести на себе аккумулятор достаточной мощности, чтобы вести передачу данных).

Все это предполагает использование сложных технологий, но именно задача, которая, на первый взгляд, кажется самой сложной — интерпретация поступающих от роя данных, — может на деле оказаться одной из самых легких. Успешное применение BrainPort показывает, что наш мозг замечательно пластичен и гибок — это значит, что даже во взрослом возрасте его можно «перенастроить», чтобы по-новому интерпретировать получаемые сигналы.

Совершенно не обязательно использовать именно язык для приема сигналов. Сгодится любой подходящий участок кожи. В один прекрасный день подобные технологии смогут позволить клиническим реабилитационным центрам подключать к таким участкам сигналы от множества камер или микрофонов, что даст основанное на осязании зрение слепым или такого же рода слух глухим. Это не будет настоящим зрением или слухом, но для людей, натренированных в распознавании этих сигналов, ощущения способны оказаться весьма близкими к подлинным. Разница, пожалуй, может заключаться в качестве разрешения, поскольку осязательные рецепторы обладают большей «зернистостью», чем глазная ретина или рецепторы внутреннего уха.

Кип использует термин Слияние (интеграция) для описания процесса обучения интерпретации таких сигналов. В его случае, когда он получает разнотипную информацию от 300 насекомых, добиться целостного восприятия этого потока, конечно, гораздо труднее, чем просто держать голову так, чтобы электрическое покалывание оставалось в центре языка. Но задача та же, и разница только количественная. «Если у вас есть способность к Слиянию, — говорит Кип, — данные перестают быть данными… а вы просто воспринимаете некий целостный образ-ощущение, точно так же прямо и непосредственно, как воспринимаете то, что идет дождь или что вы находитесь на тропическом пляже».

Управление насекомыми тоже звучит фантастично, но в определенных пределах это уже сейчас возможно. В 2009 году группа ученых под руководством Хиротака Сато с факультета электрических систем и компьютеров (Electrical Engineering and Computer Science) Калифорнийского университета в Беркли информировала общественность, что они разработали имплантат, с помощью которого могли дистанционно управлять полетом жука, используя в качестве пульта управления обычный лэптоп.

Эта технология, названная HIMEMS (Hybrid insect micro-electro mechanical systems — Гибрид насекомого и микро-электромеханических систем), использует электроды, имплантированные в мускулы и нервную систему жука еще на стадии его нахождения в коконе. Когда жук достигает зрелости, его мозг и мускулы уже составляют единое целое с электродами, которые могут управляться с помощью чипа и микробатареи, встроенных на спине насекомого. Сигналы WiFi, подаваемые на чип, могут использоваться для перехвата управления крыльями жука, позволяя оператору менять направление его полета.

Звучит жутковато. Но пресс-релиз Агентства по продвинутым оборонным разработкам (Defense Advanced Research Projects Agency), в котором говорилось о планах использования жуков в качестве носителей сенсоров вроде микрофонов и газоуловителей, доказывает: во всем этом нет ничего невозможного. Агентство поясняет, что мы, в конце концов, веками проделывали похожие вещи с животными, используя менее технологически развитые методы, такие как ярмо для быков или уздечку для лошадей.

Контролировать нервную систему животных можно не только с помощью чипов и WiFi. На ежегодном собрании Американского физического общества, состоявшемся 15–19 марта 2010 года в Портленде, штат Орегон, Андрью Лейфер, аспирант-биофизик из Гарвардского университета, демонстрировал видеоматериалы о том, как ему удалось управлять движениями крошечного червя, называемого Caenorhabditis elegans, используя свет зеленого лазера.

С. elegans был выбран для этих целей, потому что у него имеется всего 302 нейрона и потому что он прозрачный. Последнее обстоятельство важно, поскольку суть экспериментов заключалась в следующем: червь был генетически модифицирован так, чтобы его нейроны активировались при освещении зеленым светом. Если осветить всего червя зеленым светом, то активируются все нейроны сразу. Но если точечно освещать лучом лазера какой-то единственный нейрон, то «включается» только он. На данной стадии это просто исследовательский проект, запущенный с целью изучения того, как работает нервная система червя, имеющая длину всего один миллиметр.

«В нашем распоряжении окажется мощный инструмент, с помощью которого мы сможем с беспрецедентной точностью воздействовать на нейронные цепи, — заявил Лейфер на пресс-конференции. — Мы теперь способны разлагать на составные части нейронные сети и воздействовать на каждый компонент, чтобы узнать, за что он отвечает, для чего служит.

Но с помощью этой технологии он способен также управлять движениями червя, заставляя его изменить курс, повернуть направо или налево или попятиться назад».

«То есть вы можете играть на черве, как на пианино», — прокомментировал один репортер.

Самое трудное, по словам Лейфера, было научиться фокусировать крошечное, размером с нейрон пятнышко света на крошечном же извивающемся тельце червя. Но в конечном итоге была разработана конструкция из 700 000 независимо управляемых зеркал, которая позволяла нацеливать луч лазера в любом желаемом направлении, изменяя его — направление — за каких-то 20 миллисекунд.

«Я потратил шесть месяцев, чтобы написать соответствующую программу», — заявил Лейфер.

Вытеснит ли эта технология технологию HI-MEMS в деле управления насекомыми-киборгами? Кто знает? Эксперименты Лейфера стали возможными потому, что червячок С. elegans прозрачен. Но для лазерного контроля это не является необходимым условием, заметил еще один участник конференции, специалист по исследованиям мозга. Вместо того, чтобы активировать генетически модифицированные нейроны, освещая их зеленым светом, сказал он, достаточно вживить электроды в мозг насекомого, а к каждому электроду присоединить такую же миниатюрную фоточувствительную ячейку. Требуемые нейроны могут после этого активироваться лучом света. Этот метод обладает тем преимуществом, что используются сигналы, которые не могут быть засечены прослушивающими станциями противника, работающими на радиочастотах. Зато большим его недостатком является необходимость работать на дистанции прямой видимости и с лазером, способным очень быстро менять наводку. Похоже, все-таки самым лучшим вариантом будет WiFi.

В нынешних экспериментах с насекомыми-киборгами передвижение курсора на экране лэптопа управляет движениями лишь одного насекомого. Но Кип командует сразу сотнями насекомых с помощью имплантата-татуировки. Тут опять используется несколько разных технологий.

Начать с того, что этот имплантат может за счет процессов метаболизма в организме Кипа перезаряжать батареи, питающие микроэлектронику его насекомых. А нужда в такой подзарядке будет возникать довольно часто — поскольку насекомое может нести аккумуляторную батарею очень ограниченного веса и, стало быть, емкости.

Но, скорее всего, это будут не привычные аккумуляторы или одноразовые батарейки. Более вероятно, что начнут использовать некий сверхконденсатор, который не вырабатывает электричество благодаря химическим процессам, как это происходит в обычных батарейках, а накапливает его.

«Большие конденсаторы, уже сейчас используемые в Китае, согласно предположениям, способны обеспечивать пробег городского автобуса в пятьдесят километров между подзарядками», — говорит Сайкат Талапатра, специалист в области физики конденсированных веществ из Университета Южного Иллинойса.

Но сейчас разрабатываются новые конденсаторы. Группа Талапатры работает с тончайшими пленками сверхпрочного углеродного материала, называемого графен. Эти пленки имеют толщину в один атом и способны накапливать большое количество электрических зарядов на грамм вещества. Эти конденсаторы к тому же можно будет очень быстро перезаряжать — точно так же, как Кип подзаряжал батареи своих насекомых, заставляя их парить на небольшом расстоянии от «электростанции» в его татуировке.

Первичным источником энергии этой «электростанции» являются биохимические процессы, проходящие в организме Кипа. А такая технология, как не удивительно, уже существует (по крайней мере, на стадии разработки).

В 2008 году фирма «Гринер Гаджетс Дизайн Компетишн» (The Greener Gadgets Design Competition) объявила о создании сотового телефона, наносящегося на кожу в виде татуировки и «подпитывающегося от пиццы». Технически телефон, конечно же, не от сыра или сладкого перца подзаряжается. Скорее, он работает на глюкозе, благодаря элементу питания размером с монету, который встроен в систему кровообращения пользователя такого телефона. Из крови эта ячейка извлекает кислород и глюкозу для выработки электричества.

Сам же сотовый телефон состоит из двух частей. Одна из них — это тонкая, гибкая пленка кремния, вшитая под кожу. В ней размещается собственно электроника, которую и питает работающая на крови ячейка. Другая часть — это сама татуировка, являющаяся невидимой, пока в ней не возникнет нужда, то есть пока сигнал от кремниевой пленки не высветит на коже клавиатуру и обзорный экран (звук, похоже, исходит непосредственно от имплантата).

Большинство из нас вряд ли захотят быть столь тесно связанными со своим телефоном, но благодаря таким разработкам не кажется такой уж фантастикой то, каким образом Кип подзаряжал свой рой.

Немного труднее контролировать целый рой. Основной принцип здесь тот же, что используется при «интеграции» поступающих данных, но в обратную сторону. Здесь вместо того, чтобы заставлять сенсорные нервы воспринимать как некий целостный, слитный образ приходящие извне данные, необходимо использовать моторные нервы, чтобы передавать сигналы насекомым.

Уже сейчас закладываются основы технологий, помогающих передавать сигналы от нервных окончаний на протез руки и при этом добиваться тонкой моторики. Есть много вариантов осуществления этой цели, но один из самых интересных будет заключаться в использовании искусственных нейромускульных соединений, подключенных к обрезанным нервным окончаниям, что позволит им управлять сервомоторами протеза.

Кипу требуется что-то подобное, но поскольку мы не желаем, чтобы наши нервные пути отключались от их обычного использования, нам надо будет каким-то образом подключаться к ним, устраивать «врезку» без того, чтобы блокировать идущие по ним сигналы.

В теории самые подходящие для такой операции мускулы — те, которые управляют кистями рук. Это дало бы нашему Кипу наибольшую степень контроля, но также бы и означало, что достаточно сделать любое движение кистью — помахать рукой, почесать нос, указать на что-то пальцем, — и тут же его насекомые начнут метаться во всех направлениях. Не говоря уже о том, что если, находясь в толпе, Кип будет постоянно совершать какие-то странные движения руками, то привлечет всеобщее внимание.

Более простое решение — использовать мелкие мышцы грудной клетки. Такую технологию уже применяют для управления протезами рук. Когда пользователь протеза думает: «открыть ладонь», «согнуть указательный палец», то эти мысли в действительности активируют грудные мускулы. А электроды, отслеживающие их состояние, получают сигналы и передают их на искусственную руку.

Это еще один пример пластичной приспособляемости мозга в действии… и образчик быстро набирающей опыт технологии, уже достаточно хорошей для того, чтобы — по заверениям горячих сторонников — играть искусственными руками на пианино.

Управлять одним насекомым несложно. Группа из Беркли, которая первой получила насекомого-киборга, для управления использовала, кажется, всего лишь шесть команд: взлететь, приземлиться, повернуть направо, повернуть налево, подниматься, опускаться. Умножьте это на 300 насекомых и получится, что Кипу нужно было отдавать до 1800 различных команд… причем в идеале — все сразу.

Если каждым насекомым требуется управлять по одиночке, то, конечно, перед Кипом встает серьезная проблема. И временами ему действительно необходимо отслеживать каждого своего жучка в отдельности и отдавать ему команды. Но при выполнении менее конкретных задач большую помощь ему может оказать программная идеология, известная под названием «интеллект роя» («разум роя», «коллективный разум»).

Приведем для начал один очень простой пример: поведение пешеходов на тротуаре. На конференции Американской ассоциации продвинутой науки (The American Association for the Advancement of Science), состоявшейся 19–22 февраля 2010 года в Сан-Диего, Калифорния, Мехди Муссаид, математик из Швейцарского федерального технологического института, описал эксперименты, в которых он снимал на пленку передвижения пешеходов на тротуаре и составлял каталог вариантов их поведения.

При пустом тротуаре идущая по нему группа знакомых людей, как правило, выстраивается в шеренгу. Если на тротуаре имеются еще люди, то у шеренги намечается тенденция к прогибу и выстраиванию в форме \/, когда идущие по краям шеренги начинают выдвигаться слегка вперед. Если на тротуаре не слишком густая толпа, то это построение переворачивается и теперь уже ведущим становится человек, идущий в центре шеренги /\, а остальные отстают от него. В еще более плотной толпе группа идет цепочкой.

Кто-нибудь говорит им, что они должны двигаться вот так, а не иначе? Нет. Это результат работы двух простых мотивов, которым подчиняется каждый действующий самостоятельно человек: они хотят совершить свой переход из пункта А в пункт Б; по пути они желают общаться друг с другом.

Форма их построения возникает как простая реакция каждого на непосредственное окружение. Шеренга предоставляет наилучшую возможность для общения, но она наименее эффективна для передвижения в толпе.

Форма построения \/ все еще дает возможность нормально общаться, но когда идущих по краям начинают слишком часто толкать, они отступают назад и строй спонтанно преобразуется в форму /\. Ну, а когда плотность толпы начинает переходить в давку и никакое общение уже невозможно, люди выстраиваются гуськом.

Но еще более интересно, что происходит с одиночными пешеходами в плотной толпе. Когда они сталкиваются лицом к лицу, то каждый стремится сделать шажок в сторону, чтобы разминуться, причем, как правило, в одну и ту же сторону: в одних странах — вправо, в других — влево. Выбор направления, предположительно, диктуется тем, какое в этой стране принято дорожное движение — правостороннее или левостороннее. В результате получается, что толпа на тротуаре может спонтанно образовать две полосы движения, как автомобили на шоссе.

Не только люди делают это; потоки муравьев, двигающихся в противоположных направлениях, тоже формируют полосы движения (точно так же, как и жуки-навозники, катящие свои шары в разных направлениях), хотя в данном случае приходится исключить соображения, что выбор полосы диктуется понятиями о «правильной стороне дороги». Интересно, что все происходит безо всякого понуждения со стороны. Просто каждый индивидуум следует линии наименьшего сопротивления с добавлением не слишком сильного мотива: уступая дорогу, делать шаг в ту сторону, которая диктуется культурными традициями страны.

Рой Кипа не состоит из пешеходов на тротуаре, но и к нему приложимы изложенные выше принципы.

«Вы имеете большое количество независимо действующих единиц, но каким-то образом вся группа ухитряется организоваться в нечто целое, — говорит Муссаид, имея в виду конкретно пешеходов, однако это замечание имеет более широкие приложения. — Независимые индивиды, обладающие лишь локальным восприятием окружения, ухитряются выполнять какие-то совместные действия».

Это вообще-то называется «эмерджентное поведение».

В аквариуме залива Монтерей, Калифорния, в большой емкости можно наблюдать, как плавает косяк сардин. Вот они плывут в одном направлении, как нечто целое, объединенные, по нашему представлению, общей целью. А затем внезапно весь косяк меняет направление движения. Но попробуйте определить рыбу, которая инициировала перемену курса! Выглядит так, будто это коллективное решение: нам надоело двигаться в этом направлении, попытаемся испытать что-то новенькое.

Рыбы не действуют согласованно, по всеобщему уговору, но и за лидером они не следуют. Скорее, каждая из них реагирует на перемены в ближайшем окружении, подчиняясь очень простым правилам, но делает это так быстро, что «решение» переменить курс, выглядит коллективным. Поведение птичьей стаи аналогично. И его очень легко смоделировать. В лекциях по вводному курсу роботехники Маджа Дж. Матарик, директор Центра роботизации и встроенных систем из Университета Южной Калифорнии, описывает простую процедуру создания роботов, которые будут вести себя как стая птиц (или косяк рыбы). Все, что нужно, это чтобы каждый робот подчинялся следующим трем простым правилам:

1. Избегай столкновения с другим роботом.

2. Не слишком отдаляйся от остальных роботов (понятие «не слишком» уточняется при конкретном программировании).

3. Продолжай движение.

Вот и все. Этот алгоритм не позволяет контролировать направление движения группы, но его выполнение приводит к тому, что группа движется как единое целое.

Еще один тип эмерджентного поведения Матарик называет «держаться стены». Здесь задействован одиночный робот, взаимодействующий с окружением, о котором у него имеется очень мало информации. Здесь правила таковы:

1. Двигайся в случайном направлении, пока не повстречаешь твердый объект.

2. Не слишком приближайся к нему.

3. Но и не удаляйся от него слишком далеко.

4. Продолжай движение, не допуская простой осцилляции (шаг вперед — шаг назад).

Результат — робот, который крадется вдоль стен в двух измерениях (если это робот на колесиках, катящийся по полу) или в трех (если это насекомое-киборг).

Разумеется, Кипу не нужно, чтобы его рой вел себя как косяк рыбы. И просто ползать вдоль стен тоже слегка скучновато. Но этот базисный подход способен дать нам более сложное поведение.

При желании мы можем объединить алгоритмы следования вдоль стены и собирания в стаи, тогда мы получим стаю, двигающуюся вдоль стен. Подобрав оптимальную дистанцию, на которой робот должен находиться от стены и от каждого другого робота, мы сможет сделать, чтобы насекомые распределились по всем стенам здания, позволяя своим камерам и другим сенсорам заглянуть в каждое окно. Или же мы можем запрограммировать их на распознание открытых окон и прочих щелей, чтобы то насекомое, которое первым обнаружит путь внутрь здания, могло повести за собой остальных.

Другими словами, подчиняясь нескольким простым правилам, члены стаи смогут реагировать на свое окружение и друг на друга, формируя сложное и, на посторонний взгляд, кем-то координируемое поведение. И Кипу не надо будет контролировать каждое насекомое в отдельности.

Все это делает задачу Кипа гораздо более легкой. Вместо того, чтобы одновременно управлять каждым из 300 насекомых по отдельности, он просто разбивает их на группы, у каждой из которых есть своя боевая задача. Такая группа снабжается простыми инструкциями вроде: «рассыпаться веером», «образовать выдвинутый периметр», «укрыться», «наблюдать за объектом X», «найти путь в это здание» и т. п. Эти указания активируют различные алгоритмы, которые позволят рою или части роя с определенной задачей выполнять свою работу самостоятельно, тогда как Кип ведет общее наблюдение, лишь временами в случае нужды беря под контроль какое-то отдельное насекомое для выполнения чего-то специфического.

Это тоже кажется достаточно сложным, но не забывайте, что мы говорили о пластичности мозга. Когда один из нас (Ричард) учился в восьмом классе, родители отдали его на курсы машинописи. Поначалу он просто находил клавишу с нужной буквой и стучал по ней пальцем. Теперь печатание идет автоматически. Он задумывает слово, и оно появляется на экране. При этом он совершенно не осознанно совершает массу сложных движений и может набрать до 100 слов в минуту. А если бы он попытался сознательно выполнять все эти движения, обдумывая их последовательность, то скорость тут же упала бы до нуля.

Это как ходить пешком. Человек не обдумывает свои движения, он просто ходит.

Каждый раз, когда мы выполняем какую-то требующую определенного мастерства работу, будь то печатание или забрасывание мяча в баскетбольное кольцо, либо когда играем в компьютерные игры, требующие быстрой реакции, мы используем те же самые базисные навыки, которыми пользуется Кип, управляя своим роем. И также, как Кип и его собратья операторы НК-МЭМС, кто-то из нас показывает блестящие результаты, у кого-то не обнаруживается нужных способностей… ну, а у некоторых вырабатывается зависимость.