История одного инженера. 2. Живое и кремниевое

«Не спрашивай, что биология может дать инженерии. Спроси, что инженерия может вернуть биологии».
— Дискуссия на форуме нейроинтерфейсов, 2024 г.

Небольшой материал на одном из сайтов сразу же заинтересовал его. Он шёл под заголовком «Человек и биокомпьютер». Бориса захватила суть этого материала. Задача, сформулированная авторами, заключалась в глубокой интеграции работы человеческого мозга и компьютера, стирающей грань между живым и вычисляемым.

Рассматривался вариант вживления в мозг биологических вычислителей, выращенных из собственных стволовых клеток человека. Это не «чужой» чип, а родная биоткань, усиленная для вычислений. Человек думает не только нейронами, данными при рождении, но и подключённым биокомпьютером. Нейроморфный интерфейс — биокомпьютер становится вашим гиппокампом. А это именно то, что нужно БПЛА. Его основные функции:
сортировка информации;
перевод данных из кратковременной памяти в долговременную;
создание «нейронной карты» окружения;
запоминание местности и маршрутов;
поиск кратчайшего пути между точками.

Всё так, а можно и наоборот

Действительно, подумал Борис, возможна и другая постановка задачи. Не человек получает кремниевую поддержку, а кремниевая система получает поддержку клеток мозга человека. И он нашёл нужную информацию: «Биокомпьютер на клетках человеческого мозга» — так назывался этот материал. Компания Cortical Labs представила первый коммерческий биокомпьютер Cortical CL1, который сочетает в себе кремниевый чип и культуру нейронов, выращенных из стволовых клеток. Нейроны формируют живую сеть, способную обучаться, перестраивать связи и адаптироваться к задачам, а электронные модули обеспечивают обмен сигналами и поддерживают жизнедеятельность клеток. Похоже, это то, что он искал.

Техническое отступление: как устроен биопроцессор (гуманитарии могут пропустить)

Биопроцессор, над которым начал работать Борис, представлял собой гибридную систему. Основой служил микрофлюидный чип размером 15;15 мм, в котором на специальной мембране выращивался органоид — трёхмерная культура нейронов, полученная из индуцированных стволовых клеток. Органоид содержал около 2–3 миллионов живых нейронов, связанных в спонтанно активную сеть.

Снизу к мембране прилегала матрица из 4096 микроэлектродов (MEA — multielectrode array). Каждый электрод мог как считывать электрический импульс нейрона, так и стимулировать его слабым током. Сверху органоид омывался питательным раствором, насыщенным кислородом, — система перистальтических насосов имитировала кровоток.

Но главное — это протокол обучения. Борис отказался от классического «контролируемого» обучения, где нейросети показывают размеченные картинки. Вместо этого он использовал принцип «свободной адаптации»: дрон передавал на органоид поток сенсорных данных (высотомер, оптический поток, гироскопы), а биопроцессор сам решал, на какие сигналы и как реагировать. Если действие приводило к успешному удержанию курса — синаптические связи усиливались (долговременная потенциация). Если ошибка — связи ослабевали. Органоид учился летать так же, как учится ребёнок — методом проб и ошибок, без заранее прописанного кода.

Интерфейс между биологией и кремнием обеспечивал специализированный чип NeuroSync, разработанный Борисом в соавторстве с двумя схемотехниками. Он преобразовывал «мысли» нейронов — хаотичные спайки — в чёткие сигналы для регуляторов оборотов двигателей. Задержка составляла менее 12 миллисекунд, что быстрее, чем у человека-оператора.

Биокомпьютеры и эффективность БПЛА

Биокомпьютеры, что очень важно для системы управления БПЛА, на порядки повышают её энергоэффективность и создают новые вычислительные возможности. Человеческий мозг работает примерно на энергозатратах около 20 Вт, что в миллионы раз эффективнее современных суперкомпьютеров с аналогичной вычислительной мощностью. Кроме того, биокомпьютеры могут обучаться быстрее традиционных ИИ-систем и решать задачи, с которыми кремниевые чипы справляются плохо, например распознавать сложные паттерны и принимать решения в условиях неопределённости. Их архитектура, где нейроны формируют самоорганизующиеся сети, позволяет динамически перестраивать связи, имитируя работу живого мозга. А это может привести к созданию более гибких и интуитивных систем ИИ, способных к самообучению и решению нестандартных задач.

Но, как в науке часто бывает, найденное решение одной проблемы порождает новую проблему. Технические ограничения? Биологические системы нестабильны: два идентично выращенных органоида демонстрируют разные вычислительные способности из-за естественного биологического шума. Малейший сбой в системе жизнеобеспечения может привести к «смерти» биопроцессора. Масштабируемость также остаётся проблемой: современные биокомпьютеры оперируют миллионами нейронов, тогда как в человеческом мозге их 80–100 миллиардов. Решение этих проблем ещё впереди.

Борис всё это понимал. Он закрыл вкладку браузера и откинулся на спинку стула. За окном уже давно была ночь, город затих, и только монитор светился в темноте комнаты. Он сидел так несколько минут, глядя в одну точку, но перед глазами были не стены кабинета, а живые нейроны, пульсирующие в питательном растворе. Нейроны, которые думают. Которые учатся.

— Если биокомпьютер может стать гиппокампом человека … — медленно произнёс он вслух, пробуя мысль на вкус. — … то почему человек не может стать процессором дрона?

Он резко выдохнул и улыбнулся собственной дерзости. Наталья давно спала. Аня видела десятый сон. А он сидел на кухне в три часа ночи и пытался соединить живое и кремниевое так, как этого ещё никто не делал.

Три года. Три долгих года от идеи до первого полёта.

Сначала была тишина. Борис сидел в своём кабинете, смотрел на схему, которую перерисовывал уже в сотый раз, и молчал. Наталья приносила ему ужин в контейнерах, дочка Аня рисовала рядом с папой «дрон будущего» — странный аппарат с щупальцами вместо крыльев. Борис улыбался, гладил её по голове и думал: «Она права. Он будет живым».

Коробка с "мозгами"

В институте к нему относились по-разному. Молодой, амбициозный, с дикой идеей — посадить в управляющий контур дрона живую ткань.

— Борис, ты вообще понимаешь, что предлагаешь? — директор НИИ отодвинул очки и потёр переносицу. — Мы тебе не биотех-стартап. У нас госзаказ, отчёты, квартальные планы. А ты — «выращу нейроны». Кто их обслуживать будет? Ты представляешь военпреда, который подписывает акт приёмки на «коробку с мозгами»?

— Представляю, — Борис говорил тихо, но упрямо. — Если дрон с такой коробкой вернётся с задания, а обычный — нет. Военпред сам подпишет. И бумажку эту в рамочку повесит.

— Красиво говоришь… — Директор вздохнул. — Ладно. Даю тебе старую лабуду на первом этаже. И полставки лаборанта. Остальное — сам.

— Я хочу, чтобы он выживал там, где кремний умирает, — уже в дверях добавил Борис.

Первые шаги к цели

Ему выделили старую лабораторию на первом этаже. Сырую, с вечно капающим краном. Первые нейроны погибли на второй неделе — ошибка в питательной среде. Борис не спал трое суток, перебирая состав. Наталья приехала ночью, нашла его спящим за столом, накрыла пледом. Утром он проснулся и увидел на полях чертежа её записку: «У тебя получится. Я знаю».

Через полгода у них появился первый стабильный органоид. Он жил, потреблял глюкозу, выдавал стабильный сигнал. Борис смотрел на него в микроскоп и вдруг почувствовал странное — это не деталь, это почти живое существо. Оно росло, обучалось, пугалось перепадов напряжения. Коллеги шутили: «Ты завёл питомца». Борис не шутил. Он дал ему номер — БП-7.

БП-7 погиб через месяц. Короткое замыкание. Борис в тот вечер не пришёл домой. Наталья ждала до полуночи, потом приехала в лабораторию. Он сидел на полу, прислонившись спиной к стене, и молчал. Она села рядом, взяла его за руку.

— Знаешь, — сказал Борис, не глядя на неё. — Он же не просто сбойнул. Он сопротивлялся. Я смотрел осциллограф за секунду до — там такие пики пошли… как крик. Он боролся.

— Боря…

— Я должен сделать так, чтобы это не повторилось.

Два с половиной года. Бессонные ночи, десятки выращенных и утерянных культур. Постепенно приходило понимание — нельзя относиться к этому как к железу. Это биология. Здесь нужна иная инженерия. Борис перестал бороться с «нестабильностью» и начал её использовать. Если нейроны ведут себя по-разному — пусть. Значит, каждый дрон будет уникален. Значит, нужно учить их не одинаковости, а адаптивности.

На пути к полевым испытаниям

В последний год к проекту подключился Минпром. Дали деньги, новое оборудование, штат. Борис уже не сидел в сырой лаборатории — у него было три комнаты, десяток сотрудников и биокомпьютер, стабильно работающий уже четвёртый месяц. Органоид, выращенный из стволовых клеток, жил в термостате, питался, спал и бодрствовал циклами. Когда подавали сигнал с симулятора полёта, он просыпался и "вёл аппарат".

Всё шло, казалось, хорошо, по плану. Испытания в лабораторных условиях давали вполне ожидаемые и приемлемые результаты. Конечно, по ходу испытаний было сделано много локальных доработок. И вот настал период полевых натурных испытаний. Для этого были подготовлены три БПЛА.

На ошибках учатся. Дрон все-таки полетел.

Первый полёт на полигоне оказался не совсем удачным. Мягко говоря. Но идея работала! И это главное. Проблема этого полёта не сразу, но была определена. Это касалось тестовых условий и времени обучения биопроцессора. Доработка заняла около полугода. Если первый дрон был разбит вдребезги, то второй отработал всё чётко по программе тестовых испытаний. Теперь можно было выходить «на люди».

(Продолжение следует)