Biosensori da virus programmabili; maggiore resistenza a livello molecolare; robot consapevoli che prendono decisioni basate su informazioni contrastanti; Nanorobot di dimensioni atomiche che conquistano malattie mortali: questa non è una recensione di un nuovo libro di fantascienza, ma il contenuto di un rapporto DARPA.
DARPA non utilizza solo la conoscenza scientifica per creare nuove tecnologie, ma pone sfide radicalmente innovative e sviluppa aree di conoscenza che aiuteranno a risolvere queste sfide. L'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa DARPA è stata creata nel 1958 dopo che l'Unione Sovietica ha lanciato lo Sputnik 1 nello spazio. Questa è stata una completa sorpresa per gli americani e la missione della DARPA era quella di "prevenire sorprese", nonché di stare al passo con gli altri stati in termini di tecnologia. DARPA non utilizza solo la conoscenza scientifica per creare nuove tecnologie, ma pone sfide radicalmente innovative e sviluppa aree di conoscenza che aiuteranno a risolvere queste sfide.
Il budget annuale della DARPA è di $ 3,2 miliardi, il numero di dipendenti non supera le diverse centinaia. Come riesce questa piccola organizzazione a creare cose come un drone, un fucile M-16, ottiche a infrarossi, GPS e Internet? Anthony J. Tether - capo della DARPA dal 2001-2009 - evidenzia i seguenti motivi della sua efficacia:
1. Team interdisciplinare di livello mondiale di personale e artisti. DARPA ricerca talenti nell'industria, nelle università, nei laboratori, riunendo esperti in campo teorico e sperimentale;
2. Esternalizzazione del personale di supporto;
3. La struttura piatta e non gerarchica garantisce uno scambio di informazioni libero e veloce;
4. Autonomia e libertà da ostacoli burocratici;
5. Orientamento al progetto. La durata media del progetto è di 3-5 anni.
La creazione di un super-soldato - più veloce, più forte, più resistente, suscettibile, resistente alle malattie e allo stress - è il sogno dei militari di tutto il mondo. Il successo di DARPA in questo settore è notevole. Consideriamo i suoi progetti in modo più dettagliato.
Adattamento biologico - meccanismo e attuazione
(Adattamento biologico, assemblaggio e produzione)
Il progetto studia la capacità degli organismi viventi di adattarsi a un'ampia gamma di condizioni esterne e interne (differenze di temperatura, privazione del sonno) e utilizza meccanismi di adattamento per creare nuovi materiali ricostituenti biointerattivi, sia biologici che abiotici. Nel 2009 è stato eseguito un modello matematico di frattura ossea ed è stato sviluppato un materiale che ripete completamente le proprietà meccaniche e la struttura interna di un vero osso.
Tendine (sinistra) e osso (destra)
Nel 2009 è stato eseguito un modello matematico di frattura ossea ed è stato sviluppato un materiale che ripete completamente le proprietà meccaniche e la struttura interna di un vero osso.
Successivamente, è stato creato un adesivo liquido assorbibile per ripristinare l'osso in caso di fratture e lesioni e viene testato sugli animali. Se un'iniezione di questa colla è sufficiente per una rapida guarigione di una frattura, c'è la speranza che nel tempo il trattamento di altre malattie sarà radicalmente semplificato.
Nanostrutture in biologia
(Nanostruttura in Biologia)
Il prefisso "nano" significa "una miliardesima parte" (ad esempio, un secondo o un metro), in biologia "nanostrutture" significa molecole e atomi.
Insetto spia dotato di sensore
In questo progetto DARPA vengono creati sensori nanobiologici per uso esterno e nanomotori per uso interno. Nel primo caso, le nanostrutture si attaccano agli insetti spia (registrano le informazioni, controllano il movimento); nel secondo, sono collocati nel corpo umano per la sua diagnosi e cura, e di questi nanorobot nel sangue ha parlato il futurologo Kurzweil quando ha predetto la completa fusione tra uomo e macchina entro il 2045.
Gli scienziati DARPA ottengono le proprietà desiderate delle nanostrutture (soprattutto proteine) non mediante esperimenti al microscopio, ma mediante calcoli matematici.
Neurodispositivi controllati dall'uomo
(Dispositivi neurali assistiti dall'uomo)
Il programma sviluppa un quadro teorico per comprendere il linguaggio del cervello e cerca risposte dalle neuroscienze, dalle scienze computazionali e dalle nuove scienze dei materiali. Paradossalmente, per comprendere il linguaggio del cervello, gli scienziati preferiscono codificarlo.
Un neurone artificiale è una funzione matematica che riproduce in forma semplificata la funzione di una cellula nervosa nel cervello; l'input di un neurone artificiale è collegato all'output di un altro - si ottengono reti neurali. Uno dei fondatori della cibernetica, Warren Sturgis McCulloch, ha dimostrato mezzo secolo fa che le reti neurali (che sono, di fatto, programmi per computer) sono in grado di eseguire operazioni numeriche e logiche; sono considerati un tipo di intelligenza artificiale.
Neurone - unità strutturale del cervello
Di solito, i fan delle reti neurali seguono il percorso per aumentare il numero di neuroni in esse, DARPA è andato oltre e ha modellato la memoria a breve termine.
Nel 2010, DARPA ha lavorato alla decifrazione della memoria a breve e lungo termine nei primati, nel 2011 prevede di produrre neurointerfacce che stimolano e registrano contemporaneamente diversi canali di attività neurale nel cervello.
Il "codice di memoria" consentirà di ripristinare la memoria nel cervello danneggiato di un soldato. Chissà, forse questo metodo di codifica e registrazione della memoria umana aiuterà le persone del futuro a lasciare i loro corpi che invecchiano senza rimpianti e a passare a quelli artificiali: perfetti e durevoli?
Ingegneria dei tessuti wireframe
(Ingegneria dei tessuti senza impalcature)
Fino a poco tempo fa, gli organi bioartificiali venivano coltivati su un'impalcatura tridimensionale prelevata da animali o da un donatore umano. Karsas è stato ripulito dalle cellule del donatore, inoculato con le cellule staminali del paziente e non ha causato rigetto in quest'ultimo durante il trapianto.
Cellule staminali embrionali di topo
Quando organi e tessuti vengono coltivati nell'ambito del programma Frameworkless Tissue Engineering, la loro forma è controllata con un metodo senza contatto, ad esempio da un campo magnetico. Ciò consente di aggirare i limiti della bioingegneria dello scaffold e rende possibile controllare contemporaneamente una varietà di tipi di cellule e tessuti. Gli esperimenti di DARPA sull'impianto di muscolo scheletrico multicellulare cresciuto con il metodo frameless hanno avuto successo.
Cellule staminali embrionali al microscopio
Questo significa che ora DARPA ha mano libera per coltivare organi bio-artificiali delle specie e delle forme più inimmaginabili, compresi quelli che non si trovano in natura? Rimani sintonizzato!
Materia programmabile
(Materia Programmabile)
Micro-robot origami, si piega e si apre a comando
"Materia programmabile" sviluppa una nuova forma funzionale della materia, le cui particelle sono in grado di assemblarsi in oggetti tridimensionali a comando. Questi oggetti avranno tutte le proprietà delle loro controparti abituali e saranno anche in grado di "smontare" indipendentemente dai componenti originali. La materia programmabile ha anche la capacità di modificarne la forma, le proprietà (ad esempio la conduttività elettrica), il colore e molto altro.
Innovazione nella tecnologia biologica e medica
(Tecnologie biologiche e mediche rivoluzionarie)
L'obiettivo principale del programma: l'uso di tecnologie di microsistemi (elettronica, microfluidi, fotonica, micromeccanica) per un'intera gamma di risultati - dalle manipolazioni cellulari ai mezzi di protezione e diagnostica. Le tecnologie dei microsistemi hanno raggiunto oggi una maturità e una raffinatezza sufficienti; DARPA intende utilizzarli per aumentare la velocità di isolamento, analisi e modifica del genoma cellulare di diverse decine di volte.
Il DNA è un acido nucleico che immagazzina le informazioni genetiche
L'obiettivo del progetto è selezionare una sola cellula da una vasta popolazione, catturarla, apportare le modifiche necessarie al suo DNA e, se necessario, moltiplicarla. Lo sviluppo ha la più ampia gamma di applicazioni, dalla protezione contro le armi biologiche alla comprensione della natura dei tumori maligni.
Nuove conoscenze sull'interazione dei fotoni con i tessuti del sistema nervoso dei mammiferi consentiranno di creare microimpianti fotonici che ripristineranno la funzione sensoriale e motoria delle persone con lesioni del midollo spinale. Verranno inoltre creati dispositivi di protezione dell'udito per i soldati che miglioreranno il loro udito mentre soffocano i rumori forti degli spari. Questi dispositivi ridurranno l'incidenza di problemi di udito e perdita sul campo di battaglia senza precedenti.
Biologia sintetica
(Biologia Sintetica)
Il programma sviluppa materiali biologici rivoluzionari che possono essere utilizzati nei sensori chimici e biologici, nella produzione di biocarburanti e nella neutralizzazione degli inquinanti. Il programma si basa sulla creazione di algoritmi per processi biologici che consentono la creazione di sistemi biologici di insuperabile complessità.
Cellule staminali su un telaio
Nel 2011 è prevista la creazione di tecnologie che consentiranno ai computer di apprendere, trarre conclusioni, applicare le conoscenze acquisite dall'esperienza precedente e rispondere in modo intelligente a cose che non hanno mai incontrato prima. I nuovi sistemi avranno un'affidabilità eccezionale, autonomia, autotuning, cooperano con una persona e non richiedono che intervenga troppo spesso.
Si spera che la DARPA investirà nei suoi computer intelligenti un programma di tolleranza verso le persone che, a differenza dell'intelligenza artificiale, non sempre si comportano in modo razionale e logico.
Apprendimento autosufficiente
(Apprendimento con bootstrap)
I computer acquisiranno la capacità di studiare fenomeni complessi allo stesso modo degli umani: con l'ausilio di curricula speciali contenenti concetti di un livello di complessità crescente. Il successo dello studio di nuovo materiale dipenderà dall'assimilazione della conoscenza del livello precedente. Per la formazione, verranno utilizzati tutorial, esempi, modelli di comportamento, simulatori, collegamenti. Questo è estremamente importante per i sistemi militari autonomi, che devono non solo capire cosa fare e perché, ma anche capire in quali casi è più inopportuno farlo.
Robotica affidabile
(Robotica robusta)
Diagramma del robot mobile BigDog
Le tecnologie di robotica avanzata consentiranno alle piattaforme autonome (un esempio di piattaforma autonoma - BigDog) di percepire, comprendere e modellare il loro ambiente; muoversi su terreni imprevedibili, eterogenei e pericolosi; maneggiare oggetti senza assistenza umana; prendere decisioni intelligenti in accordo con gli obiettivi programmati; collaborare con altri robot e lavorare come una squadra. Queste abilità dei robot mobili aiuteranno i soldati in una varietà di condizioni: in città, a terra, in aria, nello spazio, sott'acqua.
I compiti principali del robot mobile: svolgere autonomamente compiti nell'interesse del soldato, navigare nello spazio anche in assenza di GPS, spostarsi su terreni difficili, che possono essere montagne, parzialmente distrutti o pieni di detriti e detriti della strada. Si prevede inoltre di insegnare al robot a comportarsi in un ambiente in evoluzione, migliorandone la visione e la comprensione dell'ambiente; può persino prevedere le intenzioni di altri oggetti in movimento. Il disordine e il rumore non distraggono il robot mobile dal movimento, mantiene sempre la sua compostezza quando un altro robot lo interrompe sulla strada.
Test del robot mobile BigDog
Sono già stati creati robot che possono correre alla velocità di una persona, così come robot con quattro ruote e due mani (ognuno ha cinque dita, come gli umani). La prossima generazione di robot avrà anche il senso del tatto.
Computer bio-imitazione
(Calcolo biomimetico)
I processi che si verificano nel cervello di una creatura vivente sono modellati e implementati in un "artefatto cognitivo", l'artefatto è posto in un robot, un rappresentante di una nuova generazione di macchine adattive autonome. Sarà in grado di riconoscere le immagini, regolare il suo comportamento in base alle condizioni esterne e avere la capacità di conoscere e apprendere.
Rete neurale modellata artificialmente
Nel 2009 erano già stati modellati un milione di neuroni, così come il processo di formazione spontanea di gruppi neurali con memoria a breve termine. È stato creato un robot simile a un'ape, in grado di leggere informazioni dal mondo esterno e agire in esso; il robot era connesso in modalità wireless a un gruppo di computer che simulavano il sistema nervoso.
Nel 2010 DARPA ha già modellato 1 milione di neuroni talamocorticali; questo tipo di neurone si trova tra il talamo e la corteccia cerebrale ed è responsabile della trasmissione delle informazioni dai sensi. Il compito è migliorare i modelli delle reti neurali e insegnare loro a prendere decisioni basate sulle informazioni sull'ambiente, nonché sui "valori interni".
Il compito per il 2011 è creare un robot autonomo con una simulazione del sistema nervoso, che sarà in grado di selezionare oggetti tridimensionali da immagini mutevoli.
L'autore di questo materiale con un tuffo al cuore segue l'evoluzione dei robot e i progressi nel campo della modellazione delle reti neurali, poiché non è lontano il giorno in cui la combinazione di queste tecnologie consentirà alla coscienza umana di essere trasferita nel corpo del robot (che, con riparazione tempestiva, può esistere indefinitamente).
Terapia alternativa
(Terapie non convenzionali)
Il progetto sviluppa approcci unici e non convenzionali per proteggere i soldati da un'ampia gamma di agenti patogeni naturali e artificiali. Si è scoperto che l'invenzione di nuovi farmaci è meno efficace in questa lotta rispetto ai mezzi per rafforzare il sistema immunitario umano.
Cellule immunitarie nell'epitelio intestinale umano
Utilizzando un approccio matematico e biochimico, i ricercatori si sono concentrati sull'invenzione di metodi radicalmente nuovi, veloci ed economici per produrre proteine con proprietà desiderate, compresi gli anticorpi monoclonali (un tipo di cellule del sistema immunitario). Le nuove tecnologie ridurranno il tempo di produzione dei vaccini da diversi anni (e anche, in alcuni casi, decenni) a settimane.
Quindi, con l'aiuto dell'apparato del sistema immunitario umano artificiale, è stato creato in breve tempo un vaccino contro l'epidemia di influenza suina (H1N1).
All'ordine del giorno c'è la sopravvivenza in caso di malattie mortali fino a quando non si sviluppa l'immunità o si riceve un trattamento appropriato, nonché la necessità di sviluppare una protezione temporanea contro le malattie per le quali una persona non ha alcuna immunità.
I piani per il 2011 includono approcci innovativi per contrastare qualsiasi agente patogeno noto, sconosciuto, naturale o artificiale, oltre a dimostrare che l'uso di tecnologie sviluppate aumenta la dose letale di un agente patogeno di 100 volte.
Protezione esterna
(Protezione esterna)
Questo programma sta sviluppando vari mezzi per proteggere i soldati da attacchi chimici, biologici e radiologici. Uno dei materiali testati con successo è un agente chimico autopulente a base di poliuretano. Sono in fase di sviluppo nuovi tipi di tessuti per tute di protezione chimica, in cui il corpo può "respirare" ed effettuare scambi di calore, essendo dietro un guscio esterno chimicamente impermeabile.
Chissà, forse, in abiti realizzati con tali tessuti, una persona sarà presto in grado di esistere comodamente sott'acqua o su altri pianeti?
Sensori chimici adattivi per il bersaglio
(Sensori chimici adattabili alla missione)
I sensori moderni non possono ancora combinare la sensibilità (l'unità di misura è il numero di particelle per trilione) e la selettività (cioè la capacità di distinguere tra molecole di diverso tipo).
Questo programma mirava a creare un sensore chimico che aggirasse questa limitazione pur essendo portatile e facile da usare. I risultati hanno superato le aspettative: è stato creato un sensore, la cui massima sensibilità è combinata con un'eccezionale selettività (praticamente nessun errore durante i test con miscele di gas diversi).
Un sensore chimico che diagnostica il cancro ai polmoni respirando
Se DARPA riduce anche le dimensioni del suo rivoluzionario multisensore a un livello atomico (la nanotecnologia lo consente), sarà in grado di monitorare la salute del suo proprietario 24 ore su 24. Sarebbe bello se il sensore programmasse anche appuntamenti e ordini cibo online (in quest'ultimo caso c'è il pericolo che scelga broccoli e succo d'arancia invece di birra e pizza).
Strutture riconfigurabili
(Strutture Riconfigurabili)
Sono stati sviluppati materiali morbidi che possono muoversi, così come cambiare forma e dimensione, e da essi sono stati creati robot con proprietà appropriate. Nuovi materiali sono stati utilizzati anche per realizzare imbottiture per gambe e braccia (magneti e spine) per consentire di arrampicarsi su pareti di 25 piedi (circa 9 metri). Non è ancora chiaro come i robot morbidi e i nuovi dispositivi di arrampicata prolungheranno la vita umana, ma non c'è dubbio che la diversificheranno e, possibilmente, porteranno alla nascita di nuovi sport, e coloro che vogliono risparmiare sui biglietti del treno e sull'alloggio può farlo attaccato al soffitto.
Materiali bioderivati
(Materiali Bioderivati)
L'area di interesse di questo programma si estende alla scoperta di materiali biomolecolari con proprietà elettriche e meccaniche uniche. Sono stati studiati nuovi metodi di biocatalisi e creazione di bio-modelli per peptidi, virus, batteriofagi filamentosi.
Superfici originali studiate che hanno proprietà personalizzabili: tessitura, igroscopicità, assorbimento, riflessione/trasmissione della luce. Sono in fase di sviluppo strutture ibride organico-inorganico con proprietà programmabili, che costituiranno la base per la creazione di sensori ad alte prestazioni, nonché altri dispositivi con proprietà uniche.
Neovision-2
La visione di uomini e animali ha capacità eccezionali: il riconoscimento, la classificazione e lo studio di nuovi oggetti richiede solo una frazione di secondo, mentre computer e robot hanno ancora grandi difficoltà. Il programma Neovision-2 sta sviluppando un approccio integrato per sviluppare la capacità delle macchine di riconoscere gli oggetti riproducendo la struttura dei percorsi visivi nel cervello dei mammiferi.
Lo scopo del lavoro è creare un sensore cognitivo in grado di raccogliere, elaborare, classificare e trasmettere informazioni visive. L'algoritmo per la trasmissione dei segnali visivi dei mammiferi è già stato chiarito, ed è in fase di sviluppo un dispositivo in grado di riconoscere in 5 secondi più del 90% di oggetti in 10 categorie diverse.
Ulteriori lavori sul sensore mirano a ridurne le dimensioni (dovrebbe diventare paragonabile all'apparato visivo umano), aumentandone la forza e l'affidabilità. In definitiva, il sensore dovrebbe essere in grado di riconoscere oggetti di oltre 20 categorie diverse in meno di 2 secondi, a una distanza massima di 4 km.
Ovviamente, DARPA non si fermerà qui e il prossimo sensore supererà già la capacità della visione umana.
Neurotecnologia
(Tecnologie delle neuroscienze)
Neurointerfaccia non invasiva
Il programma utilizza gli ultimi progressi in neuropsicologia, neuroimaging, biologia molecolare e scienze cognitive per proteggere le funzioni cognitive di un soldato esposto allo stress quotidiano, sia fisico che mentale. Le dure condizioni sul campo di battaglia degradano abilità importanti come la memoria, l'apprendimento, il processo decisionale, il multitasking. Pertanto, la capacità del combattente di reagire rapidamente e adeguatamente diminuisce bruscamente.
Gli effetti a lungo termine di questo tipo di stress, sia molecolari che comportamentali, sono ancora poco conosciuti. Il programma di neurotecnologia utilizza gli ultimi sviluppi nelle scienze correlate, nonché le tecnologie di neurointerfaccia, sviluppando modelli molecolari degli effetti dello stress acuto e cronico sugli esseri umani e trovando modi per proteggere, mantenere e ripristinare le funzioni cognitive del soldato.
A livello molecolare e genetico, DARPA studia quattro tipi principali di stress (mentale, fisico, malattia e privazione del sonno), come può essere accuratamente misurato e i meccanismi di adattamento e risposta inadeguata allo stress.
Nel 2009, l'uso dei progressi nelle neuroscienze ha ridotto di 2 volte la velocità di addestramento dei soldati. Sono in fase di sviluppo metodi per migliorare l'efficacia dell'apprendimento, migliorare l'attenzione e la memoria di lavoro; le interfacce neurali dovrebbero diventare più veloci e facili da usare.
Biodesign
(Biodesign)
Il biodesign è l'uso della funzionalità dei sistemi viventi. Il biodesign sfrutta le potenti intuizioni della natura, eliminando le conseguenze indesiderate e accidentali dello sviluppo evolutivo attraverso la biologia molecolare e l'ingegneria genetica.
Il programma sotto un nome così innocuo studia - né più né meno - il meccanismo di trasmissione del segnale di morte cellulare e le modalità per silenziare questo segnale. Nel 2011 verranno create colonie di cellule rigeneranti che possono esistere indefinitamente, afferma il rapporto; il loro DNA conterrà un codice speciale che protegge dalla contraffazione, oltre a qualcosa come un numero di serie, "come una pistola".
Mi piacerebbe credere che gli hacker cinesi riusciranno ancora a violare il codice di sicurezza delle cellule immortali, rilasciarle sul mercato in grandi quantità e renderle disponibili a tutti.
Interfaccia neurale affidabile
(Tecnologia affidabile dell'interfaccia neurale)
Nanorivestimento per impianto cerebrale
Il programma è impegnato nello sviluppo e nell'approfondimento della tecnologia che estrae informazioni dal sistema nervoso e le trasferisce a "dispositivi per aumentare i gradi di libertà" (macchine per gradi di libertà), ad esempio arti artificiali. La neurointerfaccia non è una tecnologia nuova ed è riuscita a causare delusione a molti perché non può ancora superare i meccanismi inventati dalla natura. Ma DARPA non si scoraggia, studia il sistema nervoso periferico, amplia il numero di canali per aumentare la quantità di informazioni trasmesse attraverso la neurointerfaccia e sviluppa fondamentalmente nuovi tipi di questi dispositivi. Nel 2011 è prevista la realizzazione di un'interfaccia neurale con un centinaio di canali, mentre non più di uno dovrebbe fallire in un anno.
Cellule immortali, modifica del genoma, organi e tessuti artificiali, immunità che funziona perfettamente, materiali con proprietà fondamentalmente nuove, intelligenza artificiale, robot e programmi consapevoli - sembra che ogni progetto DARPA a modo suo si avvicini a un'estensione radicale della vita umana, in proteine sia in un corpo, sia in uno artificiale.
Robusto, umanoide, immortale: forse è così che appariranno i cyborg nel 2045?
Il boom della modellazione della rete neurale sta preparando il terreno per il trasferimento della coscienza a un altro corpo e la robotica sta creando corpi sempre più perfetti. Forse i biologi saranno più avanti di matematici e fisici, e l'editing del genoma, rimuovendo dal DNA sezioni casuali, inutili e pericolose che si sono accumulate in esso durante l'evoluzione, alla fine diventerà comune e accessibile come andare da un parrucchiere.
La combinazione di tutte queste tecnologie sarà come una reazione a catena che genera tutte le nuove scoperte scientifiche. DARPA ha abbastanza conoscenze, abilità e denaro per farlo. Ma perché l'esercito ha bisogno di un soldato immortale che sopravviverà sia ai suoi comandanti che ai suoi creatori?
Una persona immortale è un progetto uguale nel suo idealismo all'esplorazione dello spazio, la sua fatalità, forse, non ha eguali e le risorse necessarie per l'attuazione sono insignificanti rispetto al risultato.
Aristotele, Hegel e Darwin hanno sistematizzato la conoscenza raccolta da molte generazioni dei loro predecessori, che pochi ricordano. La conoscenza degli elementi chimici si accumula da secoli: Mendeleev li ha riassunti nella sua famosa tabella e sono passati alla storia. "Se ho visto più lontano degli altri, è stato solo perché stavo sulle spalle dei titani", amava ripetere Isaac Newton.
Le tecnologie sparse che ci avvicinano all'immortalità aspettano qualcuno che le unisca e le unisca con un obiettivo comune. Vorrei che lo facesse la Russia, un Paese alla ricerca della propria identità, dove, nonostante tutto, la scuola scientifica è ancora forte e gli idealisti non si sono estinti.
