Живая машина: хаос «мокрой» инженерии

В инкубаторе с регулируемой температурой в Университете Тафтса микроскопический кластер клеток трахеи человека совершил то, что кремниевым системам до сих пор удается воспроизвести лишь с большими энергозатратами: он «почувствовал» локальный разрыв в слое нейронов и переместился, чтобы закрыть его. Ему не потребовались литий-ионный аккумулятор, заранее запрограммированный маршрут или дистанционный оператор. Он просто последовал химическим и биоэлектрическим градиентам своей среды. Так родились «нейроботы» — биологические машины, которые не просто движутся, но и обрабатывают информацию с помощью собственной примитивной нервной системы.

Хотя заголовки СМИ намекают на то, что мы стоим на пороге появления органических Терминаторов, инженерная реальность куда более хрупкая и, во многих отношениях, более интересная. Эти конструкции не строятся в традиционном понимании; их выращивают. Побуждая человеческие клетки принимать определенные формы и интегрируя в них нейронные компоненты, исследователи пытаются решить фундаментальную проблему микро-робототехники: как запитать и контролировать машину, слишком малую для традиционного двигателя и слишком сложную для простого магнитного управления. Похоже, ответ заключается в том, чтобы перестать бороться с биологией и начать делегировать работу эволюции.

Архитектура биологического бота

Переход от «ксеноботов» (полученных из эмбрионов лягушек) к «антроботам» (полученным из взрослых клеток человека) ознаменовал первый важный сдвиг в этой области. Теперь интеграция нервной системы — та самая «нейро»-составляющая в нейроботах — представляет собой шаг к истинной автономности. В традиционной робототехнике датчики, процессоры и исполнительные механизмы являются отдельными компонентами, соединенными медными или золотыми дорожками. В нейроботе эти функции размыты. Реснички — крошечные волосоподобные структуры на поверхности клеток — выполняют роль системы движения. Нейроны, интегрированные в клеточную массу, служат блоком обработки сигналов.

Метаболическое «бутылочное горлышко» и энергетический парадокс

Одним из главных драйверов биогибридных исследований является поразительная энергоэффективность биологических систем. Человеческий мозг работает примерно на 20 ваттах мощности — это сравнимо с тусклой лампочкой, — выполняя вычисления, для которых современному дата-центру с искусственным интеллектом потребовались бы мегаватты. Для микроробота энергетическая проблема стоит еще острее. Аккумуляторы плохо поддаются миниатюризации; при их уменьшении соотношение корпуса к активному материалу становится запретительным. Нейробот же черпает энергию непосредственно из окружающей среды, перерабатывая глюкозу из окружающей жидкости.

Это метаболическое преимущество сопряжено с серьезным компромиссом: системой жизнеобеспечения. Кремниевого робота можно выключить и положить в ящик на год. Нейробот погибает в течение нескольких часов, если температура колеблется более чем на несколько градусов или меняется pH среды. Это делает «цепочку поставок» для таких машин логистическим кошмаром. Вы не можете отправить коробку с нейроботами через DHL; вам нужно перевозить живую культуру в мобильном инкубаторе. В промышленном применении это ограничивает их использование строго контролируемыми средами, такими как человеческое тело или специализированные лабораторные резервуары.

Брюссель и регуляторный вакуум

В Германии Институт интеллектуальных систем Макса Планка следит за этими разработками со смесью академического интереса и промышленного скептицизма. Федеральное министерство образования и научных исследований Германии (BMBF) недавно вложило миллионы в инициативы по «биоинтеллекту», однако растет понимание того, что наши текущие регуляторные рамки совершенно не готовы к машине, которая одновременно является живым организмом. Если нейробот сделан из клеток человека, подпадает ли он под действие Регламента ЕС о медицинских изделиях (MDR) или под категорию препаратов передовой терапии (ATMP)?

Это различие не просто академическое. Если классифицировать его как робота, путь на рынок относительно прост. Если как продукт из живых тканей, требования к клиническим испытаниям настолько обременительны, что могут фактически убить индустрию еще до её начала. Есть также вопрос Закона ЕС об искусственном интеллекте. Поскольку нейроботы используют биологические нейронные сети для обработки информации и принятия «решений» (например, в каком направлении плыть), технически они представляют собой форму некремниевого ИИ. Брюсселю еще предстоит решить, требует ли кластер клеток с нервной системой того же этического надзора, что и алгоритм глубокого обучения, обученный на открытых данных в интернете.

Почему кремний не будет заменен в ближайшее время

Несмотря на потенциал «самовосстанавливающихся» машин, производительность изготовления нейроботов в настоящее время ничтожна. Создание этих ботов включает процесс самосборки, при котором тысячи клеток помещаются в форму и оставляются на несколько дней для самостоятельной организации. На полупроводниковом производстве литографическая машина может штамповать миллионы транзисторов за секунды. Биологический процесс медленный, подвержен загрязнениям, а результаты нестабильны. Одна случайная бактерия может уничтожить всю «производственную партию» нейроботов.

Более того, интерфейс управления остается ахиллесовой пятой технологии. Хотя мы теперь можем вырастить нервную систему внутри бота, мы все еще очень плохо умеем с ней «общаться». Исследователи используют свет (оптогенетику) или химические триггеры, чтобы указывать нейроботам путь, но команды остаются грубыми. Это все равно что пытаться управлять автомобилем, крича на двигатель через закрытый капот. Пока мы не добьемся высокоточной двусторонней связи между электронными системами управления и биологическими нейронными сетями — полноценного биоинтерфейса, — нейробот будет оставаться сложной лабораторной диковинкой, а не функциональным инструментом для, скажем, очистки артерий от бляшек или восстановления поврежденных нервов.

Проблема биологического суверенитета

Европейские лаборатории часто оказываются зажаты между высокими амбициями и бюрократией на местах. Исследователь в Мюнхене или Кельне, пытающийся модифицировать клеточную линию для лучшей нейронной интеграции, сталкивается с горой бумажной работы, которую их коллеги в Бостоне или Шанхае зачастую могут обойти. Это привело к «утечке мозгов» особого рода: биологические данные и экспертиза в области тканей мигрируют в юрисдикции, где «живая машина» рассматривается как инженерная задача, а не как философский кризис.

У Европы есть инженеры и биологи, способные возглавить эту область. Она просто еще не решила, хочет ли она дать им лицензию на выращивание будущего или предпочтет ждать директивы из Брюсселя, которая объяснит, что именно нервной системе позволено делать в чашке Петри. На данный момент нейроботы движутся, но они никуда не придут быстро.