Владимир Петров - Структурный анализ систем

Группа ученых из КНР и Австралии спроектировала робота на основе жидкого металла. Он может менять свою форму.

Робот состоит всего из трех частей: пластикового колеса, маленькой литиевой батарейки и капель сплава жидкого металла на основе галлия. Напряжение батарейки изменяется центром тяжести жидкого металла, что способствует перетеканию робота в одну сторону или другую

Дальше развивать мягких роботов с использованием жидкого металла. Их можно будет задействовать в специальных миссиях вроде поиска и спасения жертв землетрясений, так как роботы могут изменять форму, чтобы проникать под двери или пролезать через пространства, в которые не может поместиться человек 55.

5.27. Пример 9.39. Суперкомпьютер, имитирующий мозг человека

В Школе компьютерных наук университета Манчестера (Великобритания) заработал крупнейший в мире нейроморфный суперкомпьютер SpiNNaker, имитирующий работу человеческого мозга.

Компьютер оснащен процессором в 1 миллион ядер и способен выполнять более 200 триллионов действий в секунду, причем каждый из его чипов имеет 100 миллионов движущихся частей.

В отличие от традиционных компьютеров SpiNNaker уникален тем, что не отправляет большие объемы информации из пункта A в пункт B. Вместо этого он имитирует работу человеческого мозга, одновременно отправляя миллиарды небольших объемов информации в тысячи разных мест.

На создание суперкомпьютера ушло 20 лет разработки, более 10 лет строительства, а также 15 миллионов фунтов стерлингов.

«SpiNNaker полностью пересматривает способ работы обычных компьютеров. Машина больше похожа на мозг, чем на традиционный компьютер.

В конечном итоге создатели компьютера хотят увеличить процессор до 1 миллиарда ядер, что составляет лишь один 1% от объема человеческого мозга, который состоит из чуть менее 100 миллиардов нейронов, которые связаны между собой примерно 1 квадриллионом (это 1 с 15 нулями) синапсов. Для сравнения: мозг мыши состоит из почти 100 миллионов нейронов.

Одно из его фундаментальных применений — помочь нам понять, как работает наш собственный мозг. Это просто невозможно сделать на других машинах.

SpiNNaker уже имитировал работу базальных ганглий — области мозга, которую затрагивает болезнь Паркинсона. Это означает, что на компьютере можно тестировать фармпрепараты.

Теперь нейробиологи, управляя беспрецедентно большим симулятором, смогут раскрыть секреты работы человеческого мозга, а инженеры смогут разрабатывать большие нейронные сети в роботах, чтобы они могли ходить, разговаривать и двигаться 56.

5.28. Пример 9.40. Ультразвуковой хирургический инструмент

Радиофизики Томского государственного университета создали рабочую модель ультразвукового хирургического инструмента для коагуляции (спайки) тканей.

Хирургический инструмент для коагуляции создан на основе ультразвукового волновода — это искусственный направляющий канал со звукоотражающими стенками, в котором распространяется волна.

К волноводу присоединен пьезоэлемент, на который подается электрическое напряжение, возбуждающее колебания, и инструмент входит в резонанс. Благодаря этому соединения испытывают минимум нагрузки, не перегреваются, инструмент может служить дольше.

Радиофизики разработают целый ряд хирургических инструментов: помимо инструмента для коагуляции тканей они создадут нож, пилу и ножницы. Ультразвуковые колебания от 10 до 100 кГц и амплитудой 5—50 мкм уменьшат трение между тканями и лезвием, благодаря этому хирург будет тратить меньше усилий, а операция пройдет быстрее и станет безопаснее — сократится кровопотеря, заживление будет происходить быстрее. При помощи ультразвуковых инструментов можно «склеивать» сосуды, удалять тромбы, удалять катаракту глаза и производить другие действия 57.

5.29. Пример 9.41. Технология Brain Gate

В последние годы интерфейс мозг-компьютер, разработанный в рамках международного консорциума BrainGate, позволил людям управлять роботизированной рукой и печатать на виртуальной клавиатуре, используя лишь силу мыслей. В основе системы BrainGate лежит крошечный чип, который имплантируется в моторную кору головного мозга пользователя. Используя 100 встроенных электродов, этот чип обнаруживает электрическую активность отдельных нервных клеток. Данные об электрических сигналах отправляются на компьютер. Он использует ранее «обученные» алгоритмы для выявления конкретных паттернов (моделей) активности мозга, связанных с мыслями пользователей о выполнении той или иной задачи. Затем компьютер отправляет соответствующие команды на управляемое устройство.

Разработка поможет людям с синдромом «запертого внутри». Все они не способны разговаривать и часто не могут общаться с окружающим миром. Эта система поможет не только более активно взаимодействовать с семьей и друзьями, но и позволит людям подробно описывать текущие проблемы и состояние здоровья лицам, осуществляющим уход за ними 58.

5.30. Пример 9.42. 3D-печать хряща из стволовых клеток

Учeные из Университета Мельбурна разработали технологию создания искусственной хрящевой ткани с помощью стволовых клеток и 3D-принтера. Печать можно производить прямо во время хирургической операции, «ремонтируя» поврежденные суставы.

Используется искусственная ткань, более похожая на естественную. Структура имплантата корректируется в реальном времени прямо во время операции. Для этого используется портативный 3D-принтер.

Печать происходит методом экструзии. Стволовые клетки пациента внедряются в «чернила» из метакрилата желатина и метакрилата гиалуроновой кислоты (оба материала давно используются в медицине). После того как гель примет форму, идеально подходящую для коррекции конкретного дефекта, его облучают ультрафиолетом.

В результате начинаются химические реакции, в ходе которых материал приобретает механические свойства натурального хряща. Эта технология уже была испытана на овцах. Кроме того, исследователи проверили качество получаемой ткани в лаборатории. Для этого они взяли из подкожной ткани доноров мезенхимальные стволовые клетки.

Стволовые клетки этого вида могут превратиться в «кирпичики» кости, хряща, мышц или жировой ткани (отметим, что порой такое многообразие негативно сказывается на результатах, и ученым приходится искать более узкоспециализированных кандидатов). Эти клетки они добавили в «чернила» вместе с химическими стимуляторами, побуждающими их стать именно клетками хряща.

После этого исследователи напечатали искусственную ткань и восемь недель выращивали ее «в пробирке». По истечении этого срока образцы подверглись самому тщательному анализу. Их изучали с помощью оптических и атомно-силовых микроскопов, проверяли взаимодействие с электромагнитным излучением, анализировали экспрессию генов, тестировали иммуногистологическими методами, выясняли механические свойства и так далее.