Представьте, что вам нужно одновременно держать деталь, придерживать инструмент и что-то закреплять. Обычных двух рук для этого недостаточно — но что, если просто добавить третью?
Именно такой идеей занимается новое направление робототехники — увеличение возможностей человеческого тела. Исследователи разрабатывают носимые роботизированные конечности, которые не заменяют утраченную руку или ногу, а добавляют человеку совершенно новые физические возможности. Такие системы называют сверхштатными роботизированными конечностями (supernumerary robotic limbs, SRL).
Пока это преимущественно экспериментальные устройства, однако первые разработки уже позволяют управлять дополнительными руками, пальцами и даже ногами. В перспективе подобные системы могут найти применение в промышленности, медицине, реабилитации, космических миссиях, хирургии и других областях.
Чем роботизированная конечность отличается от протеза
Главное различие довольно простое. Протез предназначен для восстановления утраченной функции: например, он заменяет отсутствующую руку или ногу.
Сверхштатная роботизированная конечность, напротив, работает вместе с обычными конечностями и расширяет их возможности. У человека остается две руки — но появляется третья. Или даже четвертая.
Внешне такие устройства совсем не обязательно напоминают человеческие конечности. Обычно это комбинация жестких конструкций, электродвигателей и приводов — механизмов, преобразующих энергию двигателя в движение. Носить их можно, например, как рюкзак или пояс.
Концепция уже перестала быть исключительно научной фантастикой. Один из известных примеров — Third Thumb, роботизированный дополнительный большой палец, разработанный дизайнером расширения человеческого тела Дани Клод (Dani Clode) совместно с Кембриджским университетом.
Но ученые экспериментируют не только с пальцами. В лабораториях создавали дополнительные руки и ноги, которые крепятся к телу и должны действовать одновременно с естественными конечностями.
Как управлять третьей рукой?
Здесь возникает главная инженерная проблема: мозг человека изначально не рассчитан на управление дополнительными конечностями.
Пока наиболее распространенный подход — использовать для управления другую часть тела. Например, человек может нажимать педали ногами или совершать определенные движения стопой, а датчики переводят эти сигналы в команды для роботизированной руки. Исследователи также изучают возможность управления такими системами с помощью мышц вокруг ушей.
Руки при этом стараются не использовать как контроллеры. Логика проста: если человек должен задействовать одну из двух имеющихся рук для управления третьей, значительная часть преимущества исчезает.
А можно ли подключить дополнительную конечность прямо к мозгу?
Теоретически — да. Практически — пока это чрезвычайно сложная задача.
Когда мозг посылает по нервам электрические сигналы мышцам, далеко не вся информация, содержащаяся в этих сигналах, используется непосредственно для управления движением. Исследователи пытаются выяснить, можно ли задействовать эту своего рода «свободную пропускную способность» нервной системы для управления дополнительной роботизированной конечностью без движения соответствующей части тела.
Первые результаты выглядят многообещающе, но такой способ пока далек от практического применения. Управление оказывается сложным, а пользователю приходится проходить длительную настройку и обучение.
Зачем человеку четыре руки?
На первый взгляд дополнительная конечность кажется забавным экспериментом. Но потенциальных задач у нее немало.
Например, человек может надеть рюкзак с двумя роботизированными руками и использовать их для удержания потолочной панели, пока собственными руками закрепляет ее. Дополнительные ноги могут помочь сохранять равновесие в неудобном положении, освободив руки для работы. А шестой палец потенциально позволит удерживать предмет одной рукой и одновременно открывать его.
И это не гипотетические сценарии: подобные возможности уже демонстрировали в лабораториях.
В промышленности такие системы в будущем могли бы позволить рабочему одновременно удерживать несколько деталей или инструментов. В хирургии дополнительная пара роботизированных манипуляторов потенциально даст врачу возможность управлять большим количеством инструментов.
Еще один вариант — спасательные работы. Оператор мог бы одновременно расчищать завал и извлекать человека из опасной зоны, не дожидаясь помощи второго специалиста.
Пока, однако, все эти сценарии остаются перспективными направлениями, а не готовыми технологиями.
Почему научиться управлять дополнительной рукой не так сложно, как кажется
Есть любопытный момент: человеческий мозг способен адаптироваться к новой конечности.
На первых этапах управление дополнительным пальцем или рукой кажется непривычным. Однако эксперименты показывают, что базовым навыкам управления некоторыми такими устройствами люди могут научиться менее чем за час. Со временем движения становятся более естественными.
Большую роль здесь играет сенсорная обратная связь.
Если роботизированная конечность просто выполняет команды, человек фактически управляет механизмом вслепую. Поэтому исследователи используют вибромоторы и электроды, способные передавать пользователю информацию о состоянии устройства.
Это принципиально важно для обучения движениям. Когда мы учимся играть на пианино или заниматься спортом, мозг постоянно получает информацию от органов чувств о положении тела и результате каждого движения. Благодаря этому он постепенно корректирует действия.
С роботизированной конечностью происходит нечто похожее. Чем больше информации пользователь получает о положении и движении искусственной руки или пальца, тем легче мозгу освоить новый способ управления.
Мозг способен «принять» дополнительную конечность
Самое интересное начинается после периода обучения.
Исследования показывают, что со временем люди становятся более искусными в управлении дополнительными роботизированными конечностями. Более того, мозг, по-видимому, способен адаптироваться к ним настолько, что такие устройства начинают восприниматься почти как часть собственного тела.
Это открывает необычную перспективу для робототехники. Сегодня мы обычно пытаемся заставить машину адаптироваться к человеку. В случае SRL происходит обратный процесс: человек учится включать роботизированную систему в собственную схему тела.
Именно поэтому технология потенциально интересна не только как способ увеличить физическую производительность. Она позволяет исследовать сам механизм формирования ощущения собственного тела и то, насколько гибко человеческий мозг способен приспосабливаться к новым физическим возможностям.
Что мешает технологии выйти из лабораторий
Главная проблема пока вовсе не в том, что человек не способен научиться пользоваться дополнительной рукой. Ограничения в первую очередь связаны с самой робототехникой.
Современные устройства часто получаются тяжелыми, громоздкими и неудобными для длительного ношения. Скорость движения приходится ограничивать из соображений безопасности. Кроме того, сложные системы управления требуют обучения и настройки под конкретного пользователя.
Есть и другая задача: дополнительная конечность должна действительно дополнять человека, а не мешать его естественным движениям. Если третья рука ограничивает работу двух основных или требует слишком много внимания, практическая польза резко снижается.
Поэтому будущим разработчикам предстоит одновременно уменьшать массу и размеры устройств, совершенствовать приводы и датчики и делать управление более интуитивным.
От научной фантастики к новой форме взаимодействия человека и машины
Сверхштатные роботизированные конечности пока находятся на ранней стадии развития. Однако эксперименты показывают, что идея дополнительной руки или пальца не противоречит возможностям человеческого мозга.
В перспективе такие системы могут стать новым классом носимой робототехники — чем-то средним между экзоскелетом, протезом и роботом. Их задача будет не восстанавливать утраченную способность и не выполнять работу вместо человека, а увеличивать количество действий, которые человек способен выполнять одновременно.
И, возможно, именно это станет следующим шагом в развитии носимой робототехники: не машина, которая заменяет человека, а машина, которая становится его дополнительной частью.
