Biosenzori iz programabilnih virusa; povećana izdržljivost na molekularnoj razini; svjesni roboti koji donose odluke na temelju oprečnih informacija; Nanoroboti atomske veličine koji pobjeđuju smrtonosne bolesti - ovo nije prikaz nove knjige znanstvene fantastike, već sadržaj izvješća DARPA -e.
DARPA ne koristi samo znanstveno znanje za stvaranje novih tehnologija - postavlja si radikalno inovativne izazove i razvija područja znanja koja će pomoći u rješavanju ovih izazova. Agencija za napredne obrambene istraživačke projekte DARPA osnovana je 1958. godine nakon što je Sovjetski Savez lansirao Sputnik 1 u svemir. To je Amerikance potpuno iznenadilo, a misija DARPA -e bila je "spriječiti iznenađenja", kao i ostati tehnološki ispred drugih država. DARPA ne koristi samo znanstveno znanje za stvaranje novih tehnologija - postavlja si radikalno inovativne izazove i razvija područja znanja koja će pomoći u rješavanju ovih izazova.
Godišnji proračun DARPA -e je 3,2 milijarde dolara, broj zaposlenih ne prelazi nekoliko stotina. Kako ova mala organizacija uspijeva stvoriti bespilotnu letjelicu, pušku M-16, infracrvenu optiku, GPS i internet? Anthony J. Tether - voditelj DARPA -e od 2001. do 2009. - ističe sljedeće razloge za njezinu učinkovitost:
1. Interdisciplinarni tim osoblja i izvođača svjetske klase. DARPA traži talente u industriji, sveučilištima, laboratorijima, okupljajući stručnjake iz teorijskih i eksperimentalnih područja;
2. Outsourcing pomoćnog osoblja;
3. Ravna, nehijerarhijska struktura osigurava slobodnu i brzu razmjenu informacija;
4. Autonomija i sloboda od birokratskih prepreka;
5. Orijentacija projekta. Prosječno trajanje projekta je 3-5 godina.
Stvaranje super -vojnika - bržeg, jačeg, otpornijeg, osjetljivog, otpornog na bolesti i stres - san je vojske cijeloga svijeta. DARPA -in uspjeh na ovom području je izvanredan. Razmotrimo detaljnije njezine projekte.
Biološka prilagodba - mehanizam i provedba
(Biološka adaptacija, montaža i proizvodnja)
Projekt proučava sposobnost živih organizama da se prilagode širokom rasponu vanjskih i unutarnjih uvjeta (temperaturne razlike, nedostatak sna) i koristi mehanizme prilagodbe za stvaranje novih biointeraktivnih restaurativnih materijala, bioloških i abiotičkih. 2009. izveden je matematički model prijeloma kosti i razvijen je materijal koji u potpunosti ponavlja mehanička svojstva i unutarnju strukturu prave kosti.
Tetiva (lijevo) i kost (desno)
2009. izveden je matematički model prijeloma kosti i razvijen je materijal koji u potpunosti ponavlja mehanička svojstva i unutarnju strukturu prave kosti.
Nakon toga, stvoreno je upijajuće tekuće ljepilo za obnovu kosti pri prijelomima i ozljedama, a testira se na životinjama. Ako je jedna injekcija ovog ljepila dovoljna za brzo zarastanje prijeloma, postoji nada da će se s vremenom liječenje drugih bolesti radikalno pojednostaviti.
Nanostrukture u biologiji
(Nanostruktura u biologiji)
Prefiks "nano" znači "jedan milijarditi dio" (na primjer, drugi ili metar), u biologiji "nanostrukture" označavaju molekule i atome.
Špijunski kukac opremljen senzorom
U ovom projektu DARPA stvoreni su nanobiološki senzori za vanjsku uporabu i nanomotori za unutarnju uporabu. U prvom slučaju, nanostrukture se vezuju za špijunske insekte (bilježe informacije, kontroliraju kretanje); u drugom se stavljaju u ljudsko tijelo radi dijagnosticiranja i liječenja, a upravo o tim nanorobotima u krvi govorio je futurolog Kurzweil kada je predvidio potpunu fuziju čovjeka i stroja do 2045. godine.
Znanstvenici DARPA -e postižu željena svojstva nanostruktura (osobito proteina) ne pokusima pod mikroskopom, već matematičkim proračunima.
Neuro uređaji kojima upravljaju ljudi
(Neuronski uređaji uz pomoć čovjeka)
Program razvija teoretski okvir za razumijevanje jezika mozga i traži odgovore iz neuroznanosti, računalnih znanosti i znanosti o novim materijalima. Paradoksalno, ali kako bi razumjeli jezik mozga, znanstvenici ga radije kodiraju.
Umjetni neuron je matematička funkcija koja u pojednostavljenom obliku reproducira funkciju živčane stanice u mozgu; ulaz jednog umjetnog neurona povezan je s izlazom drugog - dobivaju se neuronske mreže. Jedan od utemeljitelja kibernetike, Warren Sturgis McCulloch, prije pola stoljeća pokazao je da su neuronske mreže (koje su zapravo računalni programi) sposobne izvoditi numeričke i logičke operacije; smatraju se vrstom umjetne inteligencije.
Neuron - strukturna jedinica mozga
Obično ljubitelji neuronskih mreža slijede put povećanja broja neurona u njima, DARPA je otišla dalje - i modelirala je kratkoročno pamćenje.
DARPA je 2010. radila na dešifriranju kratkoročne i dugoročne memorije kod primata, 2011. planira proizvesti neurosučelja koja stimuliraju i bilježe nekoliko kanala neuronske aktivnosti u mozgu odjednom.
"Memorijski kod" omogućit će obnavljanje memorije u oštećenom mozgu vojnika. Tko zna, možda će ova metoda kodiranja i snimanja ljudskog sjećanja pomoći budućim ljudima da bez žaljenja ostave svoja ostarjela tijela i pređu u umjetna - savršena i izdržljiva?
Inženjering žičanog tkiva
(Inženjering tkiva bez skela)
Bio-umjetni organi donedavno su uzgajani na trodimenzionalnoj skeli uzetoj od životinja ili donatora čovjeka. Karsas je očišćen od donorskih stanica, inokuliran pacijentovim matičnim stanicama i nije uzrokovao odbacivanje u potonjem tijekom transplantacije.
Mišićeva embrionalna matična stanica
Kada se organi i tkiva uzgajaju u okviru programa Frameworkless Tissue Engineering program, njihov oblik se kontrolira beskontaktnom metodom, na primjer, magnetskim poljem. To vam omogućuje da zaobiđete ograničenja bioinženjeringa skele i omogućuje istodobnu kontrolu različitih vrsta stanica i tkiva. DARPA -ini eksperimenti na implantaciji višestaničnog skeletnog mišića uzgojenog metodom bez okvira bili su uspješni.
Embrionalne matične stanice pod mikroskopom
Znači li to da sada DARPA ima slobodne ruke za uzgoj bio-umjetnih organa najnezamislivijih vrsta i oblika, uključujući i one koje nema u prirodi? Ostanite uz nas!
Materija koja se može programirati
(Programabilna materija)
Origami mikro-robot, sklapa se i rasklapa po naredbi
"Programabilna materija" razvija novi funkcionalni oblik materije čije se čestice mogu po zapovijedi sastaviti u trodimenzionalne objekte. Ti će objekti imati sva svojstva svojih uobičajenih kolega, a moći će se i samostalno "rastaviti" na izvorne komponente. Programabilna tvar također ima mogućnost mijenjanja oblika, svojstava (na primjer, električne vodljivosti), boje i još mnogo toga.
Proboj u biološkoj i medicinskoj tehnologiji
(Probojne biološke i medicinske tehnologije)
Glavni cilj programa: uporaba tehnologija mikrosustava (elektronika, mikrofluidi, fotonika, mikromehanika) za cijeli niz postignuća - od staničnih manipulacija do sredstava zaštite i dijagnostike. Tehnologije mikrosustava danas su dostigle dovoljnu zrelost i sofisticiranost; DARPA ih namjerava koristiti za povećanje brzine izolacije, analize i uređivanja staničnog genoma za nekoliko desetaka puta.
DNK je nukleinska kiselina koja pohranjuje genetske podatke
Cilj projekta je izabrati samo jednu stanicu iz velike populacije, uhvatiti je, unijeti potrebne promjene u njezinu DNK, a po potrebi se i pomnožiti. Razvoj ima najširi raspon primjena - od zaštite od biološkog oružja do razumijevanja prirode malignih tumora.
Novo znanje o interakciji fotona s tkivima živčanog sustava sisavaca omogućit će stvaranje fotonskih mikroimplantata koji će obnoviti osjetilnu i motoričku funkciju osoba s ozljedom leđne moždine. Bit će stvoreni i zaštitni slušni aparati za vojnike koji će poboljšati njihov sluh uz utapanje glasnih zvukova pucnjave. Ovi će uređaji neviđeno smanjiti učestalost oštećenja sluha i gubitka na bojnom polju.
Sintetička biologija
(Sintetička biologija)
Program razvija revolucionarne biološke materijale koji se mogu koristiti u kemijskim i biološkim senzorima, proizvodnji biogoriva i neutraliziranju onečišćujućih tvari. Program se temelji na stvaranju algoritama za biološke procese koji omogućuju stvaranje bioloških sustava neprevaziđene složenosti.
Matična ćelija na okviru
U 2011. godini planira se stvaranje tehnologija koje će omogućiti računalima učenje, donošenje zaključaka, primjenu znanja stečenog iz prethodnog iskustva i inteligentno reagiranje na stvari s kojima se nikada prije nisu susreli. Novi sustavi imat će iznimnu pouzdanost, autonomiju, samopodešavanje, surađivati s osobom i neće zahtijevati od nje da intervenira prečesto.
Nadamo se da će DARPA u svoja inteligentna računala uložiti program tolerancije prema ljudima koji se, za razliku od umjetne inteligencije, ne ponašaju uvijek racionalno i logično.
Samostalno učenje
(Bootstrapped Learning)
Računala će steći sposobnost proučavanja složenih fenomena na isti način kao i ljudi: uz pomoć posebnih nastavnih programa koji sadrže koncepte sve veće razine složenosti. Uspješno proučavanje novog materijala ovisit će o usvajanju znanja prethodne razine. Za obuku će se koristiti vodiči, primjeri, obrasci ponašanja, simulatori, veze. To je iznimno važno za autonomne vojne sustave, koji moraju ne samo razumjeti što i zašto učiniti, već i razumjeti u kojim je slučajevima to neprikladnije učiniti.
Pouzdana robotika
(Robust Robotics)
Dijagram mobilnog robota BigDog
Napredne tehnologije robotike omogućit će autonomnim platformama (primjer autonomne platforme - BigDog) da percipiraju, razumiju i modeliraju svoje okruženje; kretati se po nepredvidivom, heterogenom i opasnom terenu; rukovati predmetima bez ljudske pomoći; donositi inteligentne odluke u skladu s programiranim ciljevima; surađivati s drugim robotima i raditi kao tim. Ove sposobnosti mobilnih robota pomoći će vojnicima u različitim uvjetima: u gradu, na zemlji, u zraku, u svemiru, pod vodom.
Glavni zadaci mobilnog robota: samostalno izvršavanje zadataka u interesu vojnika, navigacija u svemiru čak i u nedostatku GPS -a, kretanje kroz teški teren, koji može biti planina, djelomično uništen ili pun krhotina i krhotina ceste. Planirano je i naučiti robota ponašanju u promjenjivom okruženju, poboljšavajući njegovu viziju i razumijevanje okoliša; čak može predvidjeti namjere drugih pokretnih objekata. Nered i buka ne odvraćaju pažnju mobilnog robota od kretanja, on uvijek zadržava smirenost kada ga drugi robot prekine na cesti.
BigDog Test mobilnog robota
Već su stvoreni roboti koji mogu trčati brzinom osobe, kao i roboti s četiri kotača i dvije ruke (svaki ima pet prstiju, poput ljudi). Sljedeća generacija robota također će imati osjećaj dodira.
Bio-imitacijska računala
(Biomimetičko računanje)
Procesi koji se događaju u mozgu živog bića modelirani su i implementirani u "kognitivni artefakt", artefakt je smješten u robota - predstavnika nove generacije autonomnih adaptivnih strojeva. Moći će prepoznati slike, prilagoditi svoje ponašanje ovisno o vanjskim uvjetima i imati sposobnost spoznaje i učenja.
Umjetno modelirana neuronska mreža
U 2009. već je modelirano milijun neurona, kao i proces spontanog stvaranja neuronskih skupina s kratkotrajnom memorijom. Stvoren je robot sličan pčeli, sposoban čitati informacije iz vanjskog svijeta i djelovati u njemu; robot je bio bežično povezan sa skupinom računala koja simuliraju živčani sustav.
U 2010. DARPA je već modelirala 1 milijun talamokortikalnih neurona; ova vrsta neurona nalazi se između talamusa i moždane kore i odgovorna je za prijenos informacija iz osjetila. Zadatak je poboljšati modele neuronskih mreža i naučiti ih donositi odluke na temelju informacija o okolišu, kao i "unutarnjih vrijednosti".
Zadatak za 2011. je stvoriti autonomnog robota sa simulacijom živčanog sustava, koji će moći mijenjati trodimenzionalne objekte iz mijenjajućih slika.
Autor ovog materijala koji tone srca prati evoluciju robota i napredak na području modeliranja neuronskih mreža, budući da nije daleko dan kada će kombinacija ovih tehnologija omogućiti da se ljudska svijest prenese u tijelo robota (koji uz pravodobni popravak mogu postojati neograničeno dugo).
Alternativna terapija
(Nekonvencionalna terapija)
Projekt razvija jedinstvene, nekonvencionalne pristupe zaštiti vojnika od širokog raspona prirodno nastalih i projektiranih patogena. Pokazalo se da je izum novih lijekova manje učinkovit u ovoj borbi od sredstava za jačanje ljudskog imunološkog sustava.
Stanice imunosti u crijevnom epitelu čovjeka
Koristeći matematički i biokemijski pristup, istraživači su se usredotočili na izum radikalno novih, brzih i jeftinih metoda za proizvodnju proteina sa željenim svojstvima, uključujući monoklonska antitijela (vrsta stanica u imunološkom sustavu). Nove tehnologije skratit će vrijeme proizvodnje cjepiva s nekoliko godina (pa čak, u nekim slučajevima, i desetljeća) na tjedne.
Tako je uz pomoć aparata umjetnog ljudskog imunološkog sustava u kratkom vremenu stvoreno cjepivo protiv epidemije svinjske gripe (H1N1).
Na dnevnom redu su preživljavanje u slučaju smrtonosnih bolesti dok se ne razvije imunitet ili ne pristupi odgovarajućem liječenju, kao i potreba za razvijanjem privremene zaštite od bolesti od kojih osoba uopće nema imunitet.
Planovi za 2011. uključuju inovativne pristupe u suzbijanju svih poznatih, nepoznatih, prirodnih ili umjetnih patogena, kao i pokazivanje da uporaba razvijenih tehnologija povećava smrtonosnu dozu patogena za 100 puta.
Vanjska zaštita
(Vanjska zaštita)
Ovaj program razvija različita sredstva zaštite vojnika od kemijskih, bioloških i radioloških napada. Jedan od uspješno dokazanih materijala je kemijsko sredstvo za samočišćenje na bazi poliuretana. U razvoju su nove vrste tkanina za odijela za kemijsku zaštitu u kojima tijelo može "disati" i provoditi izmjenu topline, iza kemijski nepropusne vanjske ljuske.
Tko zna, možda će osoba u odijelima od takvih tkanina uskoro moći udobno postojati pod vodom ili na drugim planetima?
Kemijski senzori prilagođeni cilju
(Kemijski senzori prilagodljivi misiji)
Suvremeni senzori još ne mogu kombinirati osjetljivost (mjerna jedinica je broj čestica na bilijun) i selektivnost (odnosno sposobnost razlikovanja molekula različitih vrsta).
Cilj ovog programa bio je stvoriti kemijski senzor koji bi zaobišao ovo ograničenje, a pritom je prenosiv i jednostavan za upotrebu. Rezultati su premašili očekivanja - stvoren je senzor čija je najveća osjetljivost u kombinaciji s iznimnom selektivnošću (praktički nema pogrešaka pri ispitivanju sa smjesama različitih plinova).
Kemijski senzor koji dijagnosticira rak pluća disanjem
Ako DARPA također smanji veličinu svog revolucionarnog multisenzora na atomsku razinu (nanotehnologija to dopušta), moći će neprestano nadzirati zdravlje svog vlasnika. Bilo bi lijepo kada bi senzor također zakazao sastanke i naručio hranu putem interneta (u potonjem slučaju postoji opasnost da umjesto piva i pizze odabere sok od brokule i naranče).
Strukture koje se mogu ponovno konfigurirati
(Rekonfigurabilne strukture)
Razvijeni su meki materijali koji se mogu kretati, kao i mijenjati oblik i veličinu, a od njih su stvoreni roboti s odgovarajućim svojstvima. Novi materijali također su korišteni za izradu jastučića za noge i ruke (magneti i trnje) kako bi se omogućilo penjanje preko zidova od 25 stopa (oko 9 metara). Još nije jasno kako će meki roboti i nove sprave za penjanje produljiti ljudski život, ali nema sumnje da će ga diverzificirati i, vjerojatno, dovesti do pojave novih sportova, te onih koji žele uštedjeti na kartama za vlak i stanovanju može to učiniti.pričvršćen za strop.
Bio -derivativni materijali
(Bioizvedeni materijali)
Područje interesa ovog programa proteže se do otkrića biomolekularnih materijala s jedinstvenim električnim i mehaničkim svojstvima. Istražene su nove metode biokatalize i stvaranja bio-šablona za peptide, viruse, nitaste bakteriofage.
Istražene izvorne površine koje imaju prilagodljiva svojstva: teksturu, higroskopnost, apsorpciju, refleksiju / prijenos svjetlosti. Hibridne organsko-anorganske strukture sa programabilnim svojstvima su u razvoju, što će biti osnova za stvaranje senzora visokih performansi, kao i drugih uređaja s jedinstvenim svojstvima.
Neovision-2
Vizija ljudi i životinja ima izuzetne sposobnosti: prepoznavanje, klasifikacija i proučavanje novih objekata traje samo djelić sekunde, dok računala i roboti i dalje imaju velikih poteškoća. Program Neovision-2 razvija integrirani pristup razvoju sposobnosti strojeva za prepoznavanje objekata reprodukcijom strukture vizualnih putova u mozgu sisavaca.
Cilj rada je stvoriti kognitivni senzor sposoban za prikupljanje, obradu, klasifikaciju i prijenos vizualnih informacija. Algoritam za prijenos vizualnih signala sisavaca već je razjašnjen, a razvija se i uređaj koji u 5 sekundi može prepoznati više od 90% objekata u 10 različitih kategorija.
Daljnji rad na senzoru ima za cilj smanjenje njegove veličine (trebao bi se usporediti s ljudskim vidnim aparatom), povećanje njegove snage i pouzdanosti. U konačnici, senzor bi trebao moći prepoznati objekte više od 20 različitih kategorija u manje od 2 sekunde, na udaljenosti do 4 km.
Očito, DARPA tu neće stati, a sljedeći senzor već će nadmašiti sposobnost ljudskog vida.
Neurotehnologija
(Neuroznanstvene tehnologije)
Neinvazivno neuro sučelje
Program koristi najnovija dostignuća u neuropsihologiji, neuroslikama, molekularnoj biologiji i kognitivnim znanostima kako bi zaštitio kognitivne funkcije vojnika izloženog svakodnevnom stresu, fizičkom i mentalnom. Oštri uvjeti na bojnom polju degradiraju tako važne sposobnosti kao što su pamćenje, učenje, donošenje odluka, obavljanje više zadataka. Dakle, sposobnost borca da brzo i adekvatno reagira naglo pada.
Dugoročni učinci ove vrste stresa - i molekularni i bihevioralni - još uvijek su slabo razumljivi. Program neurotehnologije koristi najnovija dostignuća u srodnim znanostima, kao i tehnologije neuro interfejsa, razvija molekularne modele učinaka akutnog i kroničnog stresa na ljude i pronalazi načine za zaštitu, održavanje i obnavljanje kognitivnih funkcija vojnika.
Na molekularnoj i genetskoj razini, DARPA proučava četiri glavne vrste stresa (mentalni, fizički, bolest i nedostatak sna), kako se može točno izmjeriti te mehanizme prilagodbe i neadekvatan odgovor na stres.
U 2009. upotreba napretka u neuroznanosti smanjila je brzinu obuke vojnika za 2 puta. Razvijaju se metode za poboljšanje učinkovitosti učenja, poboljšanje pozornosti i radne memorije; neuronska sučelja trebala bi postati brža i lakša za upotrebu.
Biodizajn
(BioDesign)
Biodizajn je korištenje funkcionalnosti živih sustava. Biodizajn iskorištava moćne spoznaje prirode, dok eliminira neželjene i slučajne posljedice evolucijskog razvoja kroz molekularnu biologiju i genetski inženjering.
Program pod tako bezazlenim imenom proučava - ni manje ni više - mehanizam prijenosa signala stanične smrti i načine utišavanja tog signala. U 2011. će se stvoriti kolonije regenerirajućih stanica koje mogu postojati neograničeno dugo, kaže se u izvješću; njihova će DNK sadržavati poseban kod koji štiti od krivotvorenja, kao i nešto poput serijskog broja, "poput pištolja".
Volio bih vjerovati da će kineski hakeri ipak uspjeti probiti sigurnosni kod besmrtnih stanica, pustiti ih u velike količine na tržište i učiniti dostupnima svima.
Pouzdano neuronsko sučelje
(Pouzdana tehnologija neuronskog sučelja)
Nanos nanošenja moždanih implantata
Program se bavi razvojem i produbljivanjem tehnologije koja izvlači informacije iz živčanog sustava i prenosi ih na "uređaje za povećanje stupnjeva slobode" (strojeve sa stupnjem slobode), na primjer, na umjetne udove. Neuro sučelje nije nova tehnologija, a mnogima je uspjelo izazvati razočaranje što još ne može nadmašiti mehanizme koje je izumila priroda. No, DARPA nije obeshrabrena, proučava periferni živčani sustav, proširuje broj kanala kako bi povećala količinu informacija koja se prenosi putem neuro sučelja i razvija fundamentalno nove vrste ovih uređaja. U 2011. godini planira se napraviti neuronsko sučelje sa stotinu kanala, dok ne bi više od jednog trebalo otkazati u godinu dana.
Besmrtne stanice, uređivanje genoma, umjetni organi i tkiva, imunitet koji radi besprijekorno, materijali s bitno novim svojstvima, umjetna inteligencija, svjesni roboti i programi - čini se da se svaki DARPA projekt na svoj način približava radikalnom produženju ljudskog života, u proteinima bilo u tijelu, bilo u umjetnom.
Robustan, humanoidan, besmrtan - možda će tako kiborzi izgledati 2045. godine?
Modeliranje neuronskih mreža u usponu postavlja pozornicu za prijenos svijesti na drugo tijelo, a robotika stvara sve savršenija tijela. Možda će biolozi biti ispred matematičara i fizičara, a uređivanje genoma, uklanjanjem iz DNK nasumičnih, nepotrebnih i opasnih dijelova koji su se u njemu nakupili tijekom evolucije, s vremenom će postati jednako uobičajeno i dostupno kao i odlazak frizeru.
Kombiniranje svih ovih tehnologija zajedno bit će poput lančane reakcije koja generira sve nove pomake u znanosti. DARPA ima dovoljno znanja, vještina i novca za to. Ali zašto je vojsci potreban besmrtni vojnik koji će nadživjeti i svoje zapovjednike i svoje tvorce?
Besmrtna osoba projekt je po svom idealizmu jednak istraživanju svemira, njegovoj sudbini možda nema ravne, a resursi potrebni za provedbu beznačajni su u usporedbi s rezultatom.
Aristotel, Hegel i Darwin sistematizirali su znanje koje su sakupile mnoge generacije njihovih prethodnika, a kojega se rijetko tko sjeća. Znanje o kemijskim elementima gomilalo se stoljećima - Mendeljejev ih je sažeo u svoju poznatu tablicu i ušao u povijest. "Ako sam vidio dalje od drugih, to je bilo samo zato što sam stajao na ramenima titana", volio je ponavljati Isaac Newton.
Raštrkane tehnologije koje nas približavaju besmrtnosti čekaju nekoga tko će ih spojiti i ujediniti s zajedničkim ciljem. Volio bih da to učini Rusija - zemlja u potrazi za svojim identitetom, u kojoj je, unatoč svemu, znanstvena škola još uvijek jaka i idealisti nisu izumrli.
