Биосенсоры из программируемых вирусов; повышение выносливости на молекулярном уровне; сознательные роботы, принимающие решения на основании противоречивой информации; нанороботы атомарного размера, побеждающие смертельные болезни — это не рецензия на новую научно-фантастическую книгу, а содержание  отчёта DARPA за 2010 год.

 Автор: Екатерина Россихина

 

Агентство передовых оборонных исследовательских проектов DARPA было создано в 1958 году, после того как Советский Союз запустил в космос Спутник-1. Это явилось для американцев полной неожиданостью, и миссией DARPA стало «предотвращение сюрпризов», а также опережение других государств в технологическом плане. DARPA не просто использует научные знания для создания новых технологий — она ставит перед собой радикально инновационные задачи и разрабатывает области знания, благодаря которым эти задачи будут решены.

Годовой бюджет DARPA — $ 3,2 млрд., количество сотрудников не превышает нескольких сотен. Как этой маленькой организации удается создавать такие вещи как беспилотник, винтовка М-16, инфракрасная оптика, GPS и Интернет? Энтони Тетер (Anthony J. Tether) — глава DARPA в 2001-2009 годах — выделяет следующие причины ее эффективности:


   1. Междисциплинарая команда сотрудников и исполнителей мирового класса. DARPA ищет таланты в промышленности, университетах, лабораториях, соединяя вместе специалистов теоретических и экспериментальных отраслей;
   2. Аутсорсинг вспомогательного персонала;
   3. Плоская неиерархичная структура обеспечивает свободный и быстрый обмен информацией;
   4. Автономность и свобода от бюрократических препятствий;
   5. Проектная ориентированность. Средняя длительность проекта — 3-5 лет.

Создание суперсолдата — более быстрого, сильного, выносливого, восприимчивого, устойчивого к болезням и стрессу — мечта военных всего мира. Успехи DARPA в этой области поразительны. Рассмотрим ее проекты подробнее.


Биологическая адаптация — механизм и реализация
(Biological Adaptation, Assembly and Manufacturing)

Проект изучает способность живых организмов адаптироваться к широкому спектру внешних и внутренних условий (перепад температур, депривация сна) и использует механизмы адаптации для создания новых биоинтерактивных восстановительных материалов, как биологических, так и абиотических. В 2009 году была выполнена математическая модель перелома кости и разработан материал, полностью повторяющий механические свойства и внутреннюю структуру настоящей кости. После этого был создан рассасывающийся жидкий клей для восстановления кости при переломах и повреждениях, проводятся его испытания на животных. Если для быстрого заживления перелома достаточно будет одного укола этого клея, возникает надежда, что со временем радикально упростится лечение и других болезней.

Наноструктуры в биологии
(Nanostructure in Biology)

Приставка «нано» означает «одна миллиардная часть» (например, секунды или метра), в биологии под «наноструктурами» подразумеваются молекулы и атомы. На данном проекте DARPA создаются нанобиологические сенсоры для внешнего использования и наномоторы — для внутреннего. В первом случае наноструктуры прикрепляются к насекомым-шпионам (записывают информацию, контролируют движение); во втором — помещаются в организм человека для его диагностики и лечения, и именно об этих нанороботах в крови говорил футуролог Курцвейл, когда предсказывал полное слияние человека и машины к 2045 году.


Желаемых свойств наноструктур (особенно белков) ученые DARPA добиваются не экспериментами под микроскопом, а математическими вычислениями.


Управляемые человеком нейроустройства
(Human Assisted Neural Devices)


Программа разрабатывает теоретическую базу для понимания языка мозга и ищет ответы неврологии, в вычислительных науках и науках о новых материалах. Парадоксально, но для понимания языка мозга ученые предпочитают его закодировать.


Искусственный нейрон — это математическая функция, воспроизводящая в упрощенном виде функцию нервной клетки мозга; вход одного искусственного нейрона соединяют с выходом другого — получаются нейронные сети. Один из родоначальников кибернетики Уоррен МакКаллок (Warren Sturgis McCulloch) еще полвека назад продемонстрировал, что нейронные сети (которые, по сути, являются компьютерными программами) способны выполнять числовые и логические операции; они считаются одним из видов искусственного интеллекта.

 

Обычно любители нейронных сетей идут по пути увеличения количества нейронов в них, DARPA пошла дальше — и смоделировала кратковременную память.

В 2010 году DARPA работала над расшифровкой кратковременной и долговременной памяти у приматов, в 2011 собирается производить нейроинтерфейсы, стимулирующие и записывающие сразу несколько каналов нервной активности мозга.


«Код памяти» позволит восстанавливать память в поврежденном мозге солдата. Кто знает, может быть этот способ кодирования и записи памяти человека поможет людям будущего без сожаления покинуть свои стареющие тела и переселиться в искусственные — совершенные и долговечные?


Безкаркасная тканевая инженерия
(Scaffold-Free Tissue Engineering)


До недавнего времени биоискусственные органы выращивались на трехмерном каркасе, взятом у животных или у человека-донора. Карсас очищался от клеток донора, засевался стволовыми клетками пациента и не вызывал у последнего отторжения при трансплантации.


При выращивании органов и тканей в рамках программы «Безкаркасная тканевая инженерия» их форма регулируется бесконтактным методом, например, магнитным полем. Это позволяет обойти ограничения каркасной биоинженерии и дает возможность одновременно контролировать разнообразные типы клеток и тканей. Опыты DARPA по имплантации мультиклеточной скелетной мышцы, выращенной безкаркасным методом, прошли успешно.


   Означает ли это, что теперь у DARPA развязаны руки для выращивания биоискусственных органов самых невообразимых видов и форм, в том числе и не встречающихся в природе? Следите за обновлениями!

 

 

Программируемая материя
(Programmable Matter)


«Программируемая материя» разрабатывает новую функциональную форму материи,

частицы которой способны по команде собираться в трехмерные объекты. Эти объекты будут обладать всеми свойствами своих обычных аналогов, а также уметь самостоятельно «разбираться» до изначальных компонентов. Программируемая материя также обладает способностью менять свою форму, свойства (например, электропроводимость), цвет и многое другое.


Прорыв в биологических и медицинских технологиях
(Breakthrough Biological and Medical Technologies)


Основная задача программы: применение микросистемных технологий (электроника, микрофлюиды, фотоника, микромеханика) для целого ряда достижений — от клеточных манипуляций до средств защиты и диагностики. Микросистемные технологии на сегодняшний день достигли достаточной зрелости и проработанности; DARPA намерена использовать их для увеличения скорости выделения, анализа и редактирования клеточного генома в несколько десятков раз.

Цель проекта — выбрать из большой популяции всего одну клетку, захватить ее, внести необходимые изменения в ее ДНК, а также, если необходимо, размножить. У разработки самый широкий круг применения — от защиты от биологического оружия до понимания природы злокачественных опухолей.


Новые знания о взаимодействии фотонов с тканями нервной системы млекопитающих позволят создать фотонные микроимпланты, позволяющие восстановить сенсорную и двигательную функцию людей с травмой спинного мозга. Также будут созданы защитные слуховые устройства для солдат, которые усовершенствуют их слух, заглушая при этом слишком громкие звуки стрельбы. Эти устройства беспрецедентно снизят количество случаев ухудшения и потери слуха на поле боя.


Синтетическая биология
(Synthetic Biology)


В рамках программы разрабатываются революционные материалы на биологической основе, которые могут быть использованы в химических и биологических сенсорах, производстве биотоплива, нейтрализации загрязняющих агентов. В основе программы лежит создание алгоритмов биологических процессов, позволяющие создавать биологические системы непревзойденной сложности.


На 2011 год запланировано создание технологий, которые позволят компьютерам обучаться, делать выводы, применять знания, полученные в результате предыдущего опыта и разумно реагировать на вещи, с которыми они раньше никогда не сталкивались. Новые системы будут обладать исключительной надежностью, автономностью, самонастройкой, сотрудничать с человеком и не требовать от него слишком частого вмешательства.


Остается надеяться, что DARPA вложит в свои разумные компьютеры программу терпимости по отношению к людям, которые, в отличие от искусственного интеллекта, далеко не всегда ведут себя рационально и логично.


Самоподдерживающееся обучение
(Bootstrapped Learning)


Компьютеры обретут способность изучать сложные явления по такому же принципу, как это делают люди: с помощью специальных учебных планов, содержащих понятия возрастающего уровня сложности. Успешное изучение нового материала будет зависеть от усвоения знаний предыдущего уровня. Для обучения будут использоваться учебные пособия, примеры, образцы поведения, симуляторы, ссылки. Это исключительно важно для автономных военных систем, которые должны не только понимать, что делать и зачем, но также представлять себе, в каких именно случаях это делать более неуместно.


Надежная робототехника
(Robust Robotics)


  Продвинутые технологии робототехники дадут возможность автономным платформам (пример автономной платформы — BigDog) воспринимать, понимать и моделировать свое окружение; передвигаться по непредсказуемой, неоднородной и опасной местности; обращаться с объектами без помощи человека; принимать разумные решения в соответствии с запрограммированными целями; сотрудничать с другими роботами и работать в команде. Эти способности мобильных роботов помогут солдатам в разнообразных условиях: в городе, на земле, в воздухе, в космосе, под водой.


Основные задачи мобильного робота: самостоятельно выполнять задания в интересах солдата, ориентироваться в пространстве даже при отсутствии GPS, передвигаться по сложной местности, которая может представлять из себя горы, частично разрушенные или полные мусора и обломков дороги. Робота планируется обучить также поведению в изменчивой среде, усовершенствовав его зрение и понимание обстановки; он сможет даже предсказывать намерения других движущихся объектов. Беспорядок и шум не отвлекают мобильного робота от движения, он всегда сохраняет самообладание, когда другой робот подрезает его на дороге.


Уже созданы роботы, способные бегать со скоростью человека, а также роботы с четырьмя колесами и двумя руками (на каждой пять пальцев, как у людей). Роботы нового поколения будут обладать также осязанием.


Биоподражающие компьютеры
(Biomimetic Computing)


Процессы, происходящие в мозге живого существа, моделируются и реализуются в «познающем артефакте» (cognitive artifact), артефакт помещается в робота — представителя нового поколения автономных приспособливающихся машин. Он сможет распознавать изображения, корректировать свое поведение в зависимости от внешних условий и обладать способностями к познанию и обучению. В 2009 году был смоделирован уже миллион нейронов, а также процесс спонтанного формирования нейронных групп, обладающих кратковременной памятью. Создан похожий на пчелу робот, способный считывать информацию из внешнего мира и действовать в нем; робот был беспроводным образом соединен с группой компьютеров, симулирующих нервную систему.


В 2010 году DARPA смоделировала уже 1 миллион таламокортикальных нейронов, этот вид нейронов находится между таламусом и корой головного мозга и отвечает за передачу информации от органов чувств. Поставлена задача улучшить модели нейронных сетей и научить их принимать решения на основании информации об окружении, а также «внутренних ценностей».


Задача на 2011 год заключается в создании автономного робота с симуляцией нервной системы, который будет уметь выделять из сменяющихся картинок трехмерные объекты.


Автор данного материала с замиранием сердца следит за эволюцией роботов и прогрессом в области моделирования нейронных сетей, так как уже недалек тот день, когда соединение этих технологий позволит перенести в тело робота (которое при своевременном ремонте может существовать сколь угодно долго) сознание человека.


Нетрадиционная терапия
(Unconventional Therapeutics)


Проект разрабатывает уникальные нетрадиционные подходы к защите солдат от широкого спектра естественных и искусственно созданных патогенов. Выяснилось, что изобретение новых препаратов менее эффективно в этой борьбе, чем средства укрепления иммунной системы человека. Используя математический и биохимический подход, исследователи сосредоточились на изобретении радикально новых, быстрых и недорогих методов производства белков с заданными свойствами, в том числе моноклональных антител (это разновидность клеток иммунной системы). Новые технологии позволят снизить время производства вакцин с нескольких лет (и даже, в некоторых случаях, десятилетий) до недель.


Так, с помощью аппарата искусственной иммунной системы человека была в краткие сроки создана вакцина против эпидемии свиного гриппа (H1N1).


На повестке дня находятся — выживание при поражении смертельными болезнями до тех пор, пока не выработается иммунитет, либо не будет получено соответствующее лечение, а также необходимость разработать временную защиту от болезней, от которой у человека вообще нет иммунитета.


В планах на 2011 год — инновационные подходы к противодействию любым известным, неизвестным, естественным или искусственным патогенам, а также демонстрация того, что применение разработанных технологий увеличивает смертельную дозу патогена в 100 раз.


Внешняя защита
(External Protection)


Эта программа занимается разработкой различных средств защиты солдат от химической, биологической и радиологической атаки. Один из успешно зарекомендовавших себя материалов — самоочищающийся химический агент на основе полиуретана. В разработке находятся новые типы тканей для костюмов химической защиты, в котором тело сможет «дышать» и осуществлять теплообмен, находясь за химически непроницаемой внешней оболочкой.


Кто знает, возможно, в костюмах из таких тканей человек скоро сможет с комфортом существовать под водой или на других планетах?


Адаптирующиеся к цели химические сенсоры
(Mission-Adaptable Chemical Sensors)


Современные сенсоры пока не могут сочетать в себе чувствительность (единица измерения — количество частиц на триллион) и селективность (то есть способность различать молекулы разного вида).


Данная программа была нацелена на создание химического сенсора, который бы обошел данное ограничение, будучи при этом портативным и простым в обращении. Результаты превзошли ожидания — создан сенсор, высочайшая чувствительность которого сочетается с исключительной селективностью (практически ни одной ошибки при тестировании на смесях разных газов).


Если DARPA также уменьшит размер своего революционного мультисенсора до атомарного уровня (нанотехнологии позволяют), он сможет круглосуточно мониторить состояние здоровья своего владельца. Было бы неплохо, если бы сенсор также назначал визиты к врачу и заказывал еду через Интернет (в последнем случае существует опасность, что вместо пива и пиццы он выберет брокколи и апельсиновый сок).


Перенастраивающиеся структуры
(Reconfigurable Structures)


Разработаны мягкие материалы, способные двигаться, а также менять форму и размер, из них созданы роботы с соответствующими свойствами. Из новых материалов также сделаны накладки (магниты и колючки) для ног и рук, позволяющие перелезать через стену высотой 25 футов (около 9 метров). Еще неясно, каким образом мягкие роботы и новые приспособления для скалолазания продлят жизнь человека, но нет сомнений, что они внесут в нее разнообразие и, возможно, приведут к возникновению новых видов спорта, а желающие сэкономить на железнодорожных билетах и жилье, смогут сделать это, прикрепившись к потолку.


Биопроизводные материалы
(Bioderived Materials)


Область интересов данной программы простирается на открытие биомолекулярных материалов, обладающих уникальными электрическими и механическими свойствами. Исследованы новые методы биокатализа и создания биошаблонов у пептидов, вирусов, нитчатых бактериофагов.


Исследованы оригинальные поверхности, которые обладают настраиваемыми свойствами: текстурой, гигроскопичностью, впитыванием, отражением/пропусканием света. В разработке находятся гибридные органически-неорганические структуры с программируемыми свойствами, которые лягут в основу создания сенсоров с высокой производительностью, а также других устройств с уникальными свойствами.


Neovision-2


Зрение людей и животных обладает исключительными возможностями: узнавание, классификация и изучение новых объектов занимает всего доли секунды, в то время как компьютерам и роботам это пока дается с огромным трудом. Программа Neovision-2 разрабатывает комплексный подход к развитию у машин способности к распознаванию объектов, воспроизводя устройство зрительных путей в мозге млекопитающего.


Целью работы является создание когнитивного сенсора, который способен собирать, обрабатывать, классифицировать и передавать зрительную информацию. Уже выяснен алгоритм передачи зрительных сигналов млекопитающих и разрабатывается прибор, способный за 5 секунд распознавать более 90% объектов 10 различных категорий.


Дальнейшая работа над сенсором направлена на уменьшение его размера (он должен стать сопоставимым со зрительным аппаратом человека), увеличение прочности и надежности. В конечном итоге, сенсор должен суметь распознавать объекты более 20 различных категорий менее чем за 2 секунды, на расстоянии до 4 км.


Очевидно, что DARPA на этом не остановится, и следующий сенсор уже будет превосходить способности зрения человека.


Нейротехнологии
(Neuroscience Technologies)


  Программа использует последние достижения нейропсихологии, нейровизуализации, молекулярной биологии и когнитивных наук для защиты когнитивных функций солдата, подвергающегося ежедневному стрессу, как физическому, так и психическому. Тяжелые условия на поле боя ухудшают столь важные для бойца способности, как память, обучение, принятие решений, мультизадачность. Таким образом, резко падает способность бойца реагировать быстро и адекватно.


Долговременные эффекты стрессов такого рода — как молекулярные, так и поведенческие — до сих пор изучены мало. Программа «нейротехнологии» использует новейшие разработки смежных наук, а также технологии нейроинтерфейсов, разрабатывая молекулярные модели воздействия острого и хронического стресса на человека и находя способы защитить, поддержать и восстановить когнитивные функции солдата.


На молекулярном и генетическом уровне DARPA изучает стресс четырех основных видов (психический, физический, болезнь и депривация сна), способы его точного измерения, а также механизмы адаптации к стрессу и неадекватного реагирования на него.


В 2009 году использование достижений нейронаук сократило скорость обучения солдат в 2 раза. Разрабатываются методы повышения эффективности обучения, улучшения внимания и оперативной памяти; нейроинтерфейсы должны стать более быстрыми и простыми в использовании.


Биодизайн
(BioDesign)


Биодизайн — это использование функциональности живых систем. Биодизайн пользуется эффективными задумками природы, устраняя при этом нежелательные и случайные последствия эволюционного развития с помощью молекулярной биологии и генной инженерии.


Программа под таким безобидным названием изучает — ни много ни мало — механизм передачи сигнала о клеточной смерти и способы заглушения этого сигнала. В 2011 году будут созданы колонии регенерирующих клеток, способных существовать неограниченное время, говорится в отчете; их ДНК будет содержать специальный код, защищающий от подделок, а также что-то вроде серийного номера, «как у пистолета».


Хочется верить, что китайским хакерам все-таки удастся взломать защитный код бессмертных клеток, выпустить их на рынок в большом количестве и сделать доступными всем желающим.


Надежный нейроинтерфейс
(Reliable Neural-Interface Technology )


Программа занимается развитием и углублением технологии, экстрагирующей информацию из нервной системы и передающей ее на «устройства увеличения степеней свободы» (degree-of-freedom machines), искусственные конечности, например. Нейроинтерфейс не новая технология, и у многих она успела вызвать разочарование тем, что не может пока превзойти механизмы, придуманные природой. Но DARPA не унывает, изучает периферическую нервную систему, расширяет число каналов, чтобы увеличить количество информации, передаваемое по нейроинтерфейсу и разрабатывает принципиально новые виды этих устройств. В 2011 году планируется сделать нейроинтерфейс со ста каналами, при этом за год должно выходить из строя не более одного.

 

***

Бессмертные клетки, редактирование генома, искусственные органы и ткани, иммунитет, работающий без сбоев, материалы с принципиально новыми свойствами, искусственный интеллект, сознательные роботы и программы — складывается впечатление, что каждый проект DARPA на свой лад приближается к радикальному продлению человеческой жизни, в белковом ли теле, или в искусственном.

Бурно развивающиеся моделирование нейронных сетей готовит почву для перенесения сознания в другое тело, а робототехники создают все более совершенные тела. Возможно, математиков и физиков опередят биологи, и редактирование генома, удаление из ДНК случайных, ненужных и опасных участков, накопившихся в ней за время эволюции, со временем станет таким же привычным и доступным делом, как поход в парикмахерскую.


Объединение всех этих технологий воедино будет подобно цепной реакции, порождающей все новые прорывы в науке. У DARPA достаточно знаний, умений и денег, чтобы сделать это. Только зачем военным бессмертный солдат, который переживет и своих командиров, и своих создателей?


Бессмертный человек — проект, равный по своему идеализму освоению космоса, его судьбоносность, пожалуй, и вовсе не имеет себе равных, а ресурсы, необходимые для осуществления, ничтожны по сравнению с результатом.


Аристотель, Гегель и Дарвин систематизировали знания, собранные многими поколениями своих предшественников, о которых мало кто помнит. Знания о химических элементах накапливались веками — Менделеев обобщил их в свою знаменитую таблицу и вошел в историю. «Если я видел дальше, чем другие, то лишь потому, что стоял на плечах титанов», — любил повторять Исаак Ньютон.


Разрозненные технологии, приближающие нас к бессмертию, ждут того, кто соберет их вместе и объединит общей целью. Хотелось бы, чтобы это сделала Россия — страна, находящаяся в поиске своей идентичности, где несмотря ни на что еще сильна научная школа и не перевелись идеалисты.