Прошлым летом на международной конференции в Риме с длинным названием «The Fourth IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics», посвященной биомедицинской роботехнике и биомехатронике, ученые и инженеры из Израиля и Франции выступили с интересным докладом.
В докладе «fMRI Robotic Embodiment: A Pilot Study» был описан эксперимент, в ходе которого подопытный, находившийся в израильском Реховоте, управлял движениями робота во Франции. Уникальность эксперимента в том, что команды управления снимались непосредственно с участков головного мозга подопытного.
Чтобы понять, как это удалось сделать, нужно объяснить, что такое
функциональная магнито-резонансная томография (фМРТ) или, как ее называют на английском, fMRI.
Во время проведения fMRI, человека помещают в специальный сканер, представляющий собой гигантский кольцеобразный магнит. Установка выглядит как большая труба, в которую задвигается койка с пациентом.
Сильное магнитное поле, создаваемое в установке, позволяет различать некоторые химические процессы в теле человека и в частности – изменения уровней содержания кислорода в тонких сосудах головного мозга. Кислородные уровни говорят достаточно достоверно об активности того или иного участка мозга.
Современные сканнеры fMRI дают разрешение в 1 мм кв. – участок мозга такого размера называется «воксель» (voxel). Сканнер фиксирует изменения кислородных уровней каждые 2-3 секунды, что позволяет говорить о фМРТ в реальном времени или rtfMRI.
Каждый воксель содержит большое количество нейронов, но и такого разрешения достаточно, чтобы разделить участки двигательной коры на районы, отвечающие за правую и левую руки, и за ноги.
Более того, сигналы, полученные сканером, удается расшифровать как то или иное движение, «задуманное» подопытным. Человека, при этом, просят представить, как он двигает рукой или ногой, и анализируют при этом происходящие изменения в мозге.
В рамках израильско-французского эксперимента сначала были записаны сигналы сканера, соответствующие левым и правым конечностям.
Затем они были обработаны программным пакетом Turbo BrainVoyager. После этого началась активная часть эксперимента.
Роботу HOAP3, находившемуся в помещении, были поставлены разные задачи – например, обойти два препятствия «восьмеркой», найти предмет и просто передвигаться по комнате. Сигналы запускали поворот влево или вправо, или несколько шагов вперед.
Подопытные при этом пытались представлять разные движения рукой, чтобы оптимизировать верность команд.
Они видели либо робота, либо виртуальную реальность, отображающую движения робота.
Для простых задач, типа поворота влево или вправо, удалось получить близкое к 100% разделение. Более сложные задачи с тремя или несколькими вариантами выбора оказались сложными или даже неразрешимыми в рамках этого эксперимента.
Из описания понятно, что пока эта технология слишком сыра для практического применения. Сегодня она требует громоздкого оборудования для rtfMRI, и ее точность пока не пригодна ни для каких практических задач.
Однако это только начало, и можно ожидать, что управление при помощи BCI (brain-computer interfaces) будет активно развиваться и достигнет уровня практического применения довольно быстро. Сегодня помимо rtfMRI работы ведутся и над другими методами измерения активности мозга: SSVEP и волнами P300.
Нейрофизиологи ставили своей целью подменить естественное ощущение тела в пространстве на искусственное, и вывести это ощущение за пределы человеческого тела. Они опирались на данные неврологических расстройств, при которых люди ощущают себя вне тела. Было установлено, что человек локализует себя в пространстве, опираясь на зрение и тактильные ощущения. Манипулируя ими, исследователи создали довольно простую установку: за спиной участника эксперимента располагалась камера, которая проецировала стереоскопическое изображение через т.н. HMD (шлем со стереоскопическими очками, создающий виртуальный мир). Таким образом, человек видел изображение самого себя со спины. В ходе эксперимента спину подопытного трогали и при этом проецировали изображение этого прикосновения через HMD. Испытуемые описывали, что ощущают прикосновение не в том месте, где была их спина, а в том месте, где находилось созданное стереоскопическое изображение! Т.е. они переносили границы своего тела в иллюзорные границы стереоскопического изображения. Схожие эксперименты были проделаны и Хенриком Эррсоном (Henrik Ehrrson). В его случае подопытному прикасались к груди, и он начинал смотреть на себя как будто-то со стороны.
Эксперименты нейрофизиологов могли бы остаться простым курьезом, если бы они не открывали путь развития компьютерных интерфейсов, важность которого сложно переоценить. Исследователи Кристофер Блом (Kristopher Blom), Наталья Маннов, (Natalia Mannov) и Харальд Бринкманн (Harald Brinkmann) в 2008-ом году (за год до выхода фильм) начали работу над проектом «Avatar Ergo Sum». Его цели включали в себя совершенствование проекционных методов. В частности, помимо HMD, имеющих ограниченное поле зрение, проект использовал т.н. L-Shape-like projection system, создающую изображение на площади в 2 на 3 метра, на стене и на полу перед подопытным. Далее проект перешел к использованию настоящего аватара. На теле подопытного устанавливались датчики движения, которые передавали информацию… человекоподобному роботу, полностью повторявшему движения человека. Этот робот-аватар находился в поле зрения человека (реальном или виртуальном, через стереочки), и исследователи добивались смещения телесного ощущения в аватар.
Фильмы, подобные «Аватару», создают временную дистанцию между настоящим и воображаемым миром фильма. Речь в них идет, как подразумевается, об отдаленном будущем. В случае фильма Камерона – о 2154-ом году. На деле, как можно убедиться, эта дистанция совсем не так велика. Технологии, выводящие ощущение человека за пределы его тела уже существуют. Хотя они делают только первые шаги, они, несомненно, будут быстро развиваться. Вскоре может оказаться, что обрисованная в фильме реальность окажется тривиальной по сравнению с той, в которой мы окажемся.