Biosensorer från programmerbara virus; ökad uthållighet på molekylär nivå; medvetna robotar som fattar beslut baserade på motstridiga uppgifter; Atomstora nanoroboter som erövrar dödliga sjukdomar - det här är inte en recension av en ny science fiction -bok, utan innehållet i en DARPA -rapport.
DARPA använder inte bara vetenskaplig kunskap för att skapa ny teknik - den ställer sig radikalt innovativa utmaningar och utvecklar kunskapsområden som hjälper till att lösa dessa utmaningar. Defense Advanced Research Projects Agency DARPA skapades 1958 efter att Sovjetunionen lanserade Sputnik 1 i rymden. Detta kom som en överraskning för amerikanerna, och DARPA: s uppdrag var att "förebygga överraskningar", samt att ligga före andra stater när det gäller teknik. DARPA använder inte bara vetenskaplig kunskap för att skapa ny teknik - den ställer sig radikalt innovativa utmaningar och utvecklar kunskapsområden som hjälper till att lösa dessa utmaningar.
Den årliga budgeten för DARPA är 3,2 miljarder dollar, antalet anställda överstiger inte flera hundra. Hur lyckas denna lilla organisation skapa saker som en drönare, ett M-16-gevär, infraröd optik, GPS och Internet? Anthony J. Tether - chef för DARPA 2001-2009 - lyfter fram följande orsaker till dess effektivitet:
1. Tvärvetenskapligt team av personal och artister i världsklass. DARPA söker talang inom industri, universitet, laboratorier och samlar experter inom teoretiska och experimentella områden;
2. Outsourcing av supportpersonal.
3. Platt, icke-hierarkisk struktur säkerställer ett fritt och snabbt informationsutbyte;
4. Autonomi och frihet från byråkratiska hinder;
5. Projektorientering. Den genomsnittliga projektperioden är 3-5 år.
Skapandet av en supersoldat - snabbare, starkare, mer motståndskraftig, mottaglig, resistent mot sjukdomar och stress - är drömmen för militären i hela världen. DARPA: s framgångar på detta område är anmärkningsvärda. Låt oss överväga hennes projekt mer detaljerat.
Biologisk anpassning - mekanism och genomförande
(Biologisk anpassning, montering och tillverkning)
Projektet studerar levande organismers förmåga att anpassa sig till ett brett spektrum av yttre och inre förhållanden (temperaturskillnader, sömnbrist) och använder anpassningsmekanismer för att skapa nya biointeraktiva återställande material, både biologiska och abiotiska. 2009 utfördes en matematisk modell av en benfraktur och ett material utvecklades som fullständigt upprepar de mekaniska egenskaperna och inre strukturen hos ett verkligt ben.
Sen (vänster) och ben (höger)
År 2009 utfördes en matematisk modell av en benfraktur och ett material utvecklades som fullständigt upprepar de mekaniska egenskaperna och inre strukturen hos ett verkligt ben.
Därefter skapades ett absorberbart flytande lim för att återställa ben i frakturer och skador, och det testas på djur. Om en injektion av detta lim räcker för snabb läkning av en fraktur, finns det en förhoppning om att behandlingen av andra sjukdomar med tiden kommer att förenklas radikalt.
Nanostrukturer i biologi
(Nanostruktur i biologi)
Prefixet "nano" betyder "en miljarddel" (till exempel en sekund eller en meter), i biologin, "nanostrukturer" betyder molekyler och atomer.
Sensorutrustad spioninsekt
I detta DARPA -projekt skapas nanobiologiska sensorer för externt bruk och nanomotorer för internt bruk. I det första fallet knyts nanostrukturer till spioninsekter (registrera information, kontrollera rörelse); i den andra placeras de i människokroppen för diagnos och behandling, och det var dessa nanoroboter i blodet som futurologen Kurzweil talade om när han förutspådde fullständig sammansmältning av människa och maskin 2045.
DARPA -forskare uppnår de önskade egenskaperna hos nanostrukturer (särskilt proteiner) inte genom experiment i mikroskop, utan genom matematiska beräkningar.
Mänskligt kontrollerade neurodevices
(Human Assisted Neural Devices)
Programmet utvecklar en teoretisk ram för att förstå hjärnans språk och söker svar från neurovetenskap, beräkningsvetenskap och nya materialvetenskaper. Paradoxalt nog, för att förstå hjärnans språk, föredrar forskare att koda det.
En artificiell neuron är en matematisk funktion som i en förenklad form återger funktionen av en nervcell i hjärnan; ingången från en artificiell neuron är ansluten till utgången från en annan - neurala nätverk erhålls. En av grundarna till cybernetik, Warren Sturgis McCulloch, visade för ett halvt sekel sedan att neurala nätverk (som faktiskt är datorprogram) kan utföra numeriska och logiska operationer; de anses vara en typ av artificiell intelligens.
Neuron - strukturell enhet i hjärnan
Vanligtvis följer fans av neurala nätverk vägen för att öka antalet neuroner i dem, DARPA har gått längre - och har modellerat korttidsminne.
Under 2010 arbetade DARPA med att dechiffrera kort- och långtidsminne i primater, 2011 planerar det att producera neurointerfaces som stimulerar och registrerar flera kanaler för neural aktivitet i hjärnan samtidigt.
"Minneskoden" gör det möjligt att återställa minnet i en soldats skadade hjärna. Vem vet, kanske kommer denna metod för kodning och registrering av mänskligt minne att hjälpa människor i framtiden att lämna sina åldrande kroppar utan ånger och flytta till konstgjorda - perfekta och hållbara?
Wireframe Tissue Engineering
(Byggnadsfri vävnadsteknik)
Fram till nyligen odlades bioartificiella organ på en tredimensionell byggnadsställning tagen från djur eller en mänsklig donator. Karsas rensades från donatorceller, ympades med patientens stamceller och orsakade inte avstötning hos de senare under transplantation.
Mus embryonala stamceller
När organ och vävnader odlas inom ramen för programmet Frameworkless Tissue Engineering, styrs deras form med en beröringsfri metod, till exempel genom ett magnetfält. Detta gör att du kan kringgå begränsningarna för byggnadsbioingenjörer och gör det möjligt att samtidigt styra en mängd olika cell- och vävnadstyper. DARPA: s experiment med implantation av multicellulära skelettmuskler som odlats med den ramlösa metoden var framgångsrika.
Embryonala stamceller under ett mikroskop
Betyder detta att DARPA nu har en fri hand att odla bio-artificiella organ av de mest ofattbara arter och former, inklusive de som inte finns i naturen? Håll utkik!
Programmerbar materia
(Programmerbar materia)
Origami mikrorobot, fälls ut och fälls ut på kommando
"Programmerbar materia" utvecklar en ny funktionell materiaform, vars partiklar kan samlas i tredimensionella objekt på kommando. Dessa objekt kommer att ha alla egenskaper hos sina vanliga motsvarigheter, och kan också oberoende "demontera" till de ursprungliga komponenterna. Programmerbar materia har också förmågan att ändra dess form, egenskaper (till exempel elektrisk konduktivitet), färg och mycket mer.
Genombrott inom biologisk och medicinsk teknik
(Genombrott för biologisk och medicinsk teknik)
Huvudsyftet med programmet: användning av mikrosystemteknik (elektronik, mikrofluider, fotonik, mikromekanik) för en rad prestationer - från cellulära manipulationer till skydd och diagnostik. Mikrosystemtekniker har nått tillräcklig mognad och sofistikering idag; DARPA tänker använda dem för att öka hastigheten på isolering, analys och redigering av cellgenomet med flera tiotals gånger.
DNA är en nukleinsyra som lagrar genetisk information
Målet med projektet är att bara välja en cell från en stor befolkning, fånga den, göra de nödvändiga förändringarna i dess DNA och även vid behov föröka sig. Utvecklingen har det bredaste utbudet av applikationer - från skydd mot biologiska vapen till förståelse av maligna tumörer.
Ny kunskap om fotons interaktion med däggdjurens nervsystems vävnader gör det möjligt att skapa fotoniska mikroimplantat som återställer sensorisk och motorisk funktion hos personer med ryggmärgsskada. Skyddande hörapparater för soldater kommer också att skapas som förbättrar deras hörsel samtidigt som de drunknar högljudda skottlossningar. Dessa enheter kommer att minska förekomsten av hörselnedsättning och förlust på slagfältet utan motstycke.
Syntetisk biologi
(Syntetisk biologi)
Programmet utvecklar revolutionerande biologiska material som kan användas i kemiska och biologiska sensorer, produktion av biobränslen och neutralisering av föroreningar. Programmet är baserat på skapandet av algoritmer för biologiska processer som gör det möjligt att skapa biologiska system med oöverträffad komplexitet.
Stamcell på en ram
Under 2011 är det planerat att skapa tekniker som gör att datorer kan lära sig, dra slutsatser, tillämpa kunskap från tidigare erfarenheter och på ett intelligent sätt svara på saker som de aldrig har stött på tidigare. Nya system kommer att ha exceptionell tillförlitlighet, autonomi, självinställning, samarbeta med en person och kräver inte att han ingriper för ofta.
Man hoppas att DARPA kommer att investera i sina intelligenta datorer ett program för tolerans mot människor som, till skillnad från artificiell intelligens, inte alltid beter sig rationellt och logiskt.
Självbärande lärande
(Bootstrapped Learning)
Datorer kommer att förvärva förmågan att studera komplexa fenomen på samma sätt som människor gör: med hjälp av speciella läroplaner som innehåller begrepp om en ökande komplexitet. Framgångsrik undersökning av nytt material beror på att kunskapen från den tidigare nivån assimileras. För utbildning kommer handledning, exempel, beteendemönster, simulatorer, länkar att användas. Detta är oerhört viktigt för autonoma militära system, som inte bara måste förstå vad de ska göra och varför, utan också förstå i vilka fall det är mer olämpligt att göra det.
Pålitlig robotik
(Robust robotik)
BigDog mobilt robotdiagram
Avancerad robotteknik gör det möjligt för autonoma plattformar (ett exempel på en autonom plattform - BigDog) att uppfatta, förstå och modellera sin miljö; flytta runt oförutsägbar, heterogen och farlig terräng; hantera föremål utan mänsklig hjälp; fatta intelligenta beslut i enlighet med programmerade mål; samarbeta med andra robotar och arbeta som ett team. Dessa förmågor hos mobila robotar hjälper soldater i olika förhållanden: i staden, på marken, i luften, i rymden, under vatten.
Mobilrobotens huvuduppgifter: självständigt utföra uppgifter i soldatens intresse, navigera i rymden även i avsaknad av GPS, flytta genom svår terräng, som kan vara berg, delvis förstörd eller full av skräp och skräp på vägen. Det är också planerat att lära roboten att bete sig i en föränderlig miljö, förbättra sin vision och förståelse för miljön; han kan till och med förutsäga avsikten med andra rörliga föremål. Trassel och buller distraherar inte den mobila roboten från rörelsen, den behåller alltid sitt lugn när en annan robot skär av den på vägen.
BigDog Mobile Robot Test
Robotar har redan skapats som kan köras med en persons hastighet, liksom robotar med fyra hjul och två händer (var och en har fem fingrar, som människor). Nästa generation av robotar kommer också att känna.
Bioimitativa datorer
(Biomimetisk beräkning)
De processer som sker i hjärnan hos en levande varelse modelleras och implementeras i en "kognitiv artefakt", artefakten placeras i en robot - en representant för en ny generation autonoma adaptiva maskiner. Han kommer att kunna känna igen bilder, justera sitt beteende beroende på yttre förhållanden och ha förmågan att känna igen och lära.
Artificiellt modellerat neuralt nätverk
År 2009 modellerades redan en miljon neuroner, liksom processen med spontan bildning av neurala grupper med korttidsminne. En robot som liknar ett bi har skapats, som kan läsa information från omvärlden och agera i den; roboten var trådlöst ansluten till en grupp datorer som simulerade nervsystemet.
Under 2010 har DARPA redan modellerat 1 miljon thalamokortiska neuroner; denna typ av neuron ligger mellan thalamus och hjärnbarken och är ansvarig för att överföra information från sinnena. Uppgiften är att förbättra modellerna för neurala nätverk och lära dem att fatta beslut baserat på information om miljön, liksom "interna värden".
Uppgiften för 2011 är att skapa en autonom robot med en simulering av nervsystemet, som kommer att kunna välja tredimensionella objekt från förändrade bilder.
Författaren till detta material med ett sjunkande hjärta följer robotarnas utveckling och framsteg inom modellering av neurala nätverk, eftersom dagen inte är långt borta då kombinationen av dessa tekniker gör att det mänskliga medvetandet kan överföras till robotens kropp (som, med snabb reparation, kan existera på obestämd tid).
Alternativ terapi
(Okonventionell terapeutik)
Projektet utvecklar unika, okonventionella metoder för att skydda soldater från ett brett spektrum av naturligt förekommande och konstruerade patogener. Det visade sig att uppfinningen av nya läkemedel är mindre effektiv i denna kamp än sättet att stärka det mänskliga immunsystemet.
Immunitetsceller i det mänskliga tarmepitelet
Med hjälp av ett matematiskt och biokemiskt tillvägagångssätt fokuserade forskarna på att uppfinna radikalt nya, snabba och billiga metoder för att producera proteiner med önskade egenskaper, inklusive monoklonala antikroppar (en typ av celler i immunsystemet). Ny teknik kommer att minska produktionstiden för vacciner från flera år (och till och med i vissa fall decennier) till veckor.
Så med hjälp av apparaten för det artificiella mänskliga immunsystemet skapades ett vaccin mot svininfluensan (H1N1) på en kort tid.
På dagordningen står överlevnad vid dödliga sjukdomar tills immunitet utvecklas eller lämplig behandling erhålls, liksom behovet av att utveckla tillfälligt skydd mot sjukdomar från vilka en person inte har någon immunitet alls.
Planerna för 2011 inkluderar innovativa tillvägagångssätt för att motverka alla kända, okända, naturliga eller artificiella patogener, liksom att visa att användningen av utvecklad teknik ökar den dödliga dosen av en patogen med 100 gånger.
Externt skydd
(Externt skydd)
Detta program utvecklar olika sätt att skydda soldater från kemiska, biologiska och radiologiska attacker. Ett av de framgångsrikt bevisade materialen är ett självrengörande kemiskt medel baserat på polyuretan. Nya typer av tyger för kemiska skyddsdräkter är under utveckling, där kroppen kan "andas" och utföra värmeväxling, bakom ett kemiskt ogenomträngligt yttre skal.
Vem vet, kanske, i kostymer av sådana tyger, kommer en person snart att kunna bekvämt existera under vatten eller på andra planeter?
Målanpassade kemiska sensorer
(Mission-anpassningsbara kemiska sensorer)
Moderna sensorer kan ännu inte kombinera känslighet (måttenheten är antalet partiklar per biljon) och selektivitet (det vill säga förmågan att skilja mellan molekyler av olika typer).
Detta program syftade till att skapa en kemisk sensor som skulle kringgå denna begränsning samtidigt som den är bärbar och lätt att använda. Resultaten överträffade förväntningarna - en sensor skapades, vars högsta känslighet kombineras med exceptionell selektivitet (praktiskt taget inga fel vid testning med blandningar av olika gaser).
En kemisk sensor som diagnostiserar lungcancer genom att andas
Om DARPA också minskar storleken på sin revolutionära multisensor till atomnivå (nanoteknik tillåter) kommer den att kunna övervaka ägarens hälsa dygnet runt. Det skulle vara trevligt om sensorn också skulle schemalägga möten och beställa mat online (i det senare fallet finns det en risk att den väljer broccoli och apelsinjuice istället för öl och pizza).
Omkonfigurerbara strukturer
(Omkonfigurerbara strukturer)
Mjuka material har utvecklats som kan röra sig, samt ändra form och storlek, och robotar med lämpliga egenskaper har skapats av dem. Nya material har också använts för att göra ben- och armkuddar (magneter och taggar) för att klättra över 25 fot (cirka 9 meter) väggar. Det är ännu inte klart hur mjuka robotar och nya klättringsanordningar kommer att förlänga människors liv, men det råder ingen tvekan om att de kommer att diversifiera det och möjligen leda till att nya sporter uppstår, och de som vill spara på tågbiljetter och bostäder kan göra det. fäst i taket.
Bioderivativa material
(Bioderiverat material)
Intresseområdet för detta program sträcker sig till upptäckten av biomolekylära material med unika elektriska och mekaniska egenskaper. Nya metoder för biokatalys och skapande av biomallar för peptider, virus, filamentösa bakteriofager har undersökts.
Undersökta originalytor som har anpassningsbara egenskaper: textur, hygroskopicitet, absorption, reflektion / ljusöverföring. Hybrid organiska-oorganiska strukturer med programmerbara egenskaper är under utveckling, som kommer att ligga till grund för skapandet av högpresterande sensorer, liksom andra enheter med unika egenskaper.
Neovision-2
Visionen om människor och djur har enastående förmågor: igenkänning, klassificering och studier av nya objekt tar bara en bråkdel av en sekund, medan datorer och robotar fortfarande har stora svårigheter. Neovision-2-programmet utvecklar ett integrerat tillvägagångssätt för att utveckla maskinernas förmåga att känna igen föremål genom att återge strukturen för de visuella vägarna i däggdjurshjärnan.
Syftet med arbetet är att skapa en kognitiv sensor som kan samla, bearbeta, klassificera och överföra visuell information. Algoritmen för att överföra visuella signaler från däggdjur har redan klargjorts och en enhet utvecklas som kan känna igen mer än 90% av objekten i 10 olika kategorier på 5 sekunder.
Ytterligare arbete med sensorn syftar till att minska dess storlek (den ska bli jämförbar med den mänskliga visuella apparaten), öka dess styrka och tillförlitlighet. I slutändan ska sensorn kunna känna igen objekt från mer än 20 olika kategorier på mindre än 2 sekunder, på ett avstånd av upp till 4 km.
Uppenbarligen kommer DARPA inte att stanna där, och nästa sensor kommer redan att överträffa människans synförmåga.
Neuroteknik
(Neurovetenskapstekniker)
Icke-invasivt neurointerface
Programmet använder de senaste framstegen inom neuropsykologi, neuroimaging, molekylärbiologi och kognitiva vetenskaper för att skydda de kognitiva funktionerna hos en soldat som utsätts för daglig stress, både fysisk och psykisk. De hårda förhållandena på slagfältet försämrar sådana viktiga förmågor som minne, lärande, beslutsfattande, multitasking. Därmed sjunker kämparens förmåga att reagera snabbt och tillräckligt kraftigt.
De långsiktiga effekterna av denna typ av stress - både molekylär och beteendemässigt - är fortfarande dåligt förstådda. Neuroteknikprogrammet använder den senaste utvecklingen inom relaterade vetenskaper, liksom neurointerface -teknik, som utvecklar molekylära modeller av effekterna av akut och kronisk stress på människor och hittar sätt att skydda, underhålla och återställa soldatens kognitiva funktioner.
På molekylär och genetisk nivå studerar DARPA fyra huvudtyper av stress (mental, fysisk, sjukdom och sömnbrist), hur den kan mätas exakt och mekanismerna för anpassning och otillräcklig reaktion på stress.
Under 2009 minskade användningen av framsteg inom neurovetenskap utbildningshastigheten för soldater med 2 gånger. Metoder utvecklas för att förbättra inlärningens effektivitet, förbättra uppmärksamhet och arbetsminne; neurala gränssnitt ska bli snabbare och enklare att använda.
Biodesign
(BioDesign)
Biodesign är användningen av funktionaliteten i levande system. Biodesign drar nytta av naturens kraftfulla insikter, samtidigt som de eliminerar oönskade och oavsiktliga konsekvenser av evolutionär utveckling genom molekylärbiologi och genteknik.
Programmet under ett så oskyldigt namn studerar - varken mer eller mindre - mekanismen för överföring av signalen om celldöd och sätten att tysta denna signal. Under 2011 kommer kolonier av regenererande celler att skapas som kan existera på obestämd tid, säger rapporten; deras DNA kommer att innehålla en särskild kod som skyddar mot förfalskning, liksom något som ett serienummer, "som en pistol".
Jag skulle vilja tro att kinesiska hackare fortfarande kommer att lyckas bryta säkerhetskoden för odödliga celler, släppa dem till marknaden i stora mängder och göra dem tillgängliga för alla.
Pålitligt neuralt gränssnitt
(Pålitlig teknik för neurala gränssnitt)
Hjärnimplantat nanocoating
Programmet är engagerat i utveckling och fördjupning av teknik som extraherar information från nervsystemet och överför den till "enheter för ökande frihetsgrader" (frihetsgrader), konstgjorda lemmar, till exempel. Neurointerface är inte en ny teknik, och den har lyckats orsaka besvikelse för många att den ännu inte kan överträffa de mekanismer som naturen har uppfunnit. Men DARPA är inte avskräckt, studerar det perifera nervsystemet, utökar antalet kanaler för att öka mängden information som överförs via neurointerface och utvecklar i grunden nya typer av dessa enheter. Under 2011 är det planerat att göra ett neuralt gränssnitt med hundra kanaler, medan inte mer än en ska misslyckas på ett år.
Odödliga celler, genomredigering, konstgjorda organ och vävnader, immunitet som fungerar felfritt, material med i grunden nya egenskaper, artificiell intelligens, medvetna robotar och program - det verkar som om varje DARPA -projekt på sitt sätt närmar sig en radikal förlängning av människans liv, i protein antingen i en kropp eller i en konstgjord.
Robust, humanoid, odödlig - kanske är det så här cyborgs kommer att se ut 2045?
Den blomstrande neurala nätverksmodelleringen sätter scenen för medvetenhetsöverföring till en annan kropp, och robotik skapar allt mer perfekta kroppar. Kanske kommer biologer att ligga före matematiker och fysiker, och genomredigering, avlägsnande från slumpmässiga, onödiga och farliga avsnitt från DNA som har samlats i det under evolutionen, kommer så småningom att bli lika vanligt och tillgängligt som att gå till en frisör.
Att kombinera alla dessa tekniker tillsammans kommer att vara som en kedjereaktion som genererar alla nya genombrott inom vetenskapen. DARPA har tillräckligt med kunskap, färdigheter och pengar för att göra detta. Men varför behöver militären en odödlig soldat som kommer att överleva både sina befälhavare och hans skapare?
En odödlig person är ett projekt som är lika med sin idealism till rymdutforskning, dess ödesdigra kanske inte har sin like, och de resurser som krävs för implementering är obetydliga i jämförelse med resultatet.
Aristoteles, Hegel och Darwin systematiserade den kunskap som samlats in av många generationer av sina föregångare, som få människor minns. Kunskap om kemiska grundämnen har ackumulerats i århundraden - Mendelejev sammanfattade dem i sitt berömda bord och gick till historien. "Om jag såg längre än andra var det bara för att jag stod på titanernas axlar", sa Isaac Newton gärna.
Spridd teknik som för oss närmare odödligheten väntar på någon som kommer att föra dem samman och förena dem med ett gemensamt mål. Jag skulle vilja att Ryssland gör detta - ett land på jakt efter sin identitet, där den vetenskapliga skolan trots allt fortfarande är stark och idealister inte är utdöda.
