Бот из машины
Как биороботы оживают и меняют мир технологий
«РБК Тренды» выяснили, в чем мозг человека превосходит мощнейший суперкомпьютер, для чего науке нужны киборги, где выпускают радиоуправляемых тараканов и зачем люди давят на роботов.
Биоробот — это устройство, сочетающее биологические элементы (например, клетки кожи, протеины или мышечные ткани) с технологическими (экраном, сенсорной системой или двигателем). Биороботов создают и изучают в рамках биоробототехники — области знания на стыке биологии, физики и информатики. На выходе мы получаем послушного жука-киборга, искусственный нос, способный распознать запах человека, или ИИ, который питается энергией из стволовых клеток человека.
В 2024 году сразу две компании объявили о том, что используют энергию живых существ для работы роботов. Так, стартап из Швейцарии FinalSpark показал «живой процессор» для искусственного интеллекта, работающий на базе клеток мозга человека. Со своей стороны инженеры из Корнелльского университета научились управлять роботами с помощью электрических сигналов, которые генерирует… гриб. Ученые рассчитывают, что развитие биороботов не только внесет вклад в фундаментальную науку, но и будет иметь целый ряд практических результатов.
Новый источник энергии
Один из наиболее перспективных трендов биоробототехники — использование живых клеток как источников энергии. Например, производительность самого быстрого суперкомпьютера Frontier — один экзафлопс (миллиард миллиардов операций) в секунду. Эта мощность используется в суперкомпьютерах для решения сложных задач, таких как прогнозирование климата, моделирование ядерных реакций или анализ больших данных.
Но есть одна загвоздка: чтобы Frontier мог обрабатывать эти рекордные объемы данных, он потребляет 21 мегаватт энергии в секунду. А человеческий мозг работает на таком же уровне вычислительной мощности, потребляя всего 20 ватт.
Анастасия Куренкова, замдиректора по учебной и воспитательной работе Института регенеративной медицины Сеченовского университета, автор телеграм-канала «АДовый рисёрч»: «Живые клетки можно использовать для работы искусственных нейросетей, поскольку вычислительная способность нашего мозга куда больше, чем у суперкомпьютера. Это может показаться странным, ведь не каждый в уме способен перемножить трехзначные числа, а элементарный калькулятор справляется с этим за доли секунды. Но не стоит забывать, что наш мозг контролирует абсолютно все процессы в теле. Он обеспечивает синхронное сокращение тысяч мышечных волокон, чтобы просто дышать и поддерживать положение тела в пространстве. Он отвечает за выработку сигнальных молекул, чтобы не умереть от истощения или от вредных продуктов метаболизма. Наконец, он обеспечивает анализ информации, поступающей от всех органов чувств, чтобы мы могли просто насладиться сериалом в уютном кресле».
«Живой компьютер» из стволовых клеток
Оценив энергетический потенциал нервных клеток человека, уже упоминавшийся выше FinalSpark создал первый в мире «живой компьютер». Он использует выращенный в лаборатории «мини-мозг» — структуру из нейронных стволовых клеток.
«Мы можем превратить клетки кожи в стволовые клетки. Затем из стволовых тканей произвести клетки любой части тела», — объясняет один из разработчиков биопроцессора Фред Джордан. После того как ученые размножили клетки в лаборатории, они объединили их, создав органоиды головного мозга (скопления нейронных стволовых клеток). Грубо говоря, это «мини-мозги», которые воспроизводят определенные характеристики человеческого мозга. Их размер составляет около 0,5 мм. Эти структуры, по заявлениям ученых, потребляют гораздо меньше энергии, чем современные чипы.
Швейцарский биопроцессор состоит из 16 органоидов. Эти крошечные скопления нейронов обрабатывают информацию, справляются со сложными задачами, такими как распознавание голоса, обработка визуальной информации и принятие решений.
Исследователи FinalSpark сосредоточены на том, чтобы их система научилась усваивать большое количество информации. Мы уже знаем, как учатся искусственные нейронные системы (такие как Chat GPT), но как это происходит у ИИ на базе биологических систем, вопрос. «Человек обучается при помощи нейронов мозга. Поэтому мы уверены, что это перспективное направление. Однако мы не знаем точно, что нужно сделать, для того чтобы искусственная нейронная система училась так же, как человек. Более того, никто еще не проводил исследований обучения in vitro», — отмечает Джордан.
Если исследования покажут хорошие результаты, можно будет создать «живой компьютер», который будет потреблять в 1 млн раз меньше энергии, чем современные вычислительные системы, объясняет ученый.
Проект биопроцессора от FinalSpark — это перспективная разработка, но он далек от идеала. Мини-мозги отстают от традиционных кремниевых чипов в скорости и точности обработки данных. Это означает, что они пока не могут справиться со всем спектром вычислительных задач, с которыми справляются цифровые процессоры.
Еще одна проблема — срок службы этих органоидов. Например, в FinalSpark мини-мозги живут около 100 дней. Из-за этого биопроцессоры надо регулярно обновлять, загружать новыми стволовыми клетками для поддержания работоспособности системы. Эти ограничения заставляют инвесторов сомневаться в практичности и рентабельности такой установки на долгой дистанции использования.