Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

Forsker diskuterer fremtiden for rumforskningsteknologi

NASAs Orion-rumfartøj er designet til at transportere mennesker længere end nogensinde før - til asteroider eller endda Mars - og bringe dem tilbage til Jorden. At sende astronauter ind i dybt rum er radikalt anderledes end at opretholde en tilstedeværelse i en lav jordbane. Når Jorden ikke længere er inden for rækkevidde, rumrejsende må stole på ny teknologi for at holde dem i live og sunde. Kredit:NASA

I næsten 20 år, mennesker har opretholdt en kontinuerlig tilstedeværelse ud over Jorden. Den Internationale Rumstation har givet et levested, hvor mennesker kan leve og arbejde i længere perioder. Endnu, på trods af at have etableret en permanent base for livet i rummet, terra firma er altid inden for rækkevidde - inden for 254 miles, for at være præcis. Hvis et besætningsmedlem bliver alvorligt syg, han eller hun kunne tage tilbage til Jorden i løbet af få timer.

"Så snart du begiver dig ud over et lavt kredsløb om Jorden, at gå til Mars eller endnu længere, redning ikke længere er en mulighed, " siger Wolfgang Fink, lektor og Keonjian Endowed Chair i UA's College of Engineering. "Du er alene."

Fink forudser, at i en ikke alt for langt fremtid, mennesker vil arbejde side om side med robotmaskiner, ikke-menneskelig intelligens og smarte enheder på måder, der aldrig er set før. Menneskelig logik og tankegang får følgeskab af, og suppleret med, kunstige hjerner og ræsonnementsalgoritmer.

For første gang i historien, Fink siger, vi har nået et niveau, hvor grænserne mellem hvad der betragtes som "menneske" og hvad der betragtes som "kunstigt" snart begynder at udviskes.

Når der ikke er nogen vej tilbage

En bemandet mission til Mars, som involverer en udrejse på mindst et år, kan kun lykkes, hvis ingen vitale dele af systemet går i stykker, så de ikke kan repareres, inklusive dem, der er lavet af kød og blod. Foregribelse af systemfejl og afhjælpning af dem, før de opstår, bliver altafgørende. Når der ikke er læger i nærheden, ikke kun skal besætningen være selvstændig, sundhedsplejen gør, også.

"Nøglen her er prognose og sundhedsstyring, et koncept, der begynder at krydse fra teknologiens område, specifikt i luft- og rumfartsindustrien, hvor det har været brugt i årtier, ind i området for menneskers sundhed, " siger Fink, der for nylig blev udnævnt til en stipendiat i Arizona Center for Accelerated Biomedical Innovation, eller ACABI, og som står i spidsen for et industri-universitet partnerskab, Center for Informatik og Telesundhed i Medicin, eller InTelMed, ved UA.

For eksempel, mange dele af et moderne fly er forbundet til et datanetværk, selv Wi-Fi, og levere løbende statusopdateringer uden tilsyn fra besætningen. Dette gør det muligt for vedligeholdelsespersonalet at forudse fejlfunktioner, før de opstår, og møde flyet ved ankomsten med de rigtige dele og værktøjer til at afhjælpe problemet.

Uanset om det handler om at holde flyvemaskiner flyvende eller om at bevare menneskers sundhed under varigheden af ​​en dyb rummission, ideen er den samme, Fink siger:"I stedet for at prøve at behandle personen, når de er syge, du overvåger konstant deres helbredstilstand for at forudsige og afhjælpe eventuelle problemer, før de opstår. "

Kapslen til Orion, som vil transportere mennesker til interplanetariske destinationer uden for lavt kredsløb om Jorden, såsom månen og til sidst Mars. Kredit:NASA

Delvist finansieret af National Science Foundation, InTelMed har som mål at udtænke biofeedback-kontrollerede bærbare sensorteknologier og sundhedspleje datastreaming-funktioner, parret med cloud-baseret intelligent dataanalyse, at skabe autonome systemer, der kan overvåge individers helbredsstatus uafhængigt af sundhedsudbydere i kødet.

Et af Finks projekter illustrerer, hvordan denne tilgang kunne spille sig ud i den nærmeste fremtid. Med et tilskud fra National Science Foundation, hans team skabte en måde at gøre en smartphone til en øjenundersøgelsesenhed. Teknologien, som kan vise sig at være livsændrende, især i fjerntliggende, underbetjente områder i verden, bruger billedbehandling og en fjernbetjening, skybaseret "ekspertsystem"-som bruger intelligent software baseret på sygdomsmodeller til at foreslå diagnoser ligesom en menneskelig medicinsk ekspert-til hurtigt at identificere patienter med risiko for at miste deres syn.

Ned ad vejen, Fink siger, det er let at forestille sig aktivitetsmålerlignende enheder med evnen til ikke kun at overvåge, men også at gribe ind.

"Sensorer uplinker automatisk deres data til skyen, hvor data-mining-algoritmer kommer med en prognose, diagnose eller endda en behandling, " han siger, "for eksempel, gennem implanterbare enheder, der stimulerer visse dele af hjernen og udløser adfærdsmæssige reaktioner som at dæmme op for madtrang eller berolige en person. Det er et lukket kredsløb, meget ligesom termostaten, der styrer opvarmningen og kølingen i dit hus."

Lægen på dit håndled

Et forskerhold ledet af Esther Sternberg og Perry Skeath fra UA's Center for Integrativ Medicin, eller UACIM, udvikler den næste generation af bærbare enheder, der kan holde styr på en persons helbredsstatus ved at måle biomarkører:særlige biokemikalier i blodet, spyt, urin eller sved, der indikerer, hvordan et kropssystem fungerer. Efter at have opdaget, at kortisol, et stresshormon, udskilles i sved, forskerne kombinerer ekspertise inden for medicin, kemi, teknik og datastyring til at designe en patch-sensor til at overvåge stress og mange andre biomarkørmolekyler.

Kombineret med andre sensorer, der holder styr på andre vitale funktioner såsom hjertefrekvens, blodtryk og svedreaktioner, sådan teknologi kunne i princippet, blive avanceret yderligere for at sikre langsigtet sundhed for astronauter på dybe rummissioner. Naturligvis, der er masser af muligheder for jordiske anvendelser, såvel, såsom overvågning af patienter, der er i risiko for slagtilfælde eller hjerteanfald.

"De enheder, vi udvikler, er dybest set mikrokemilaboratorier, så de kan bruges til mange applikationer, " siger Skeath, assisterende forskningsdirektør ved UACIM og adjunkt ved UA College of Medicine - Tucson. "Den vanskelige del er at skræddersy sensorpakken til opgaven, om det er en astronaut, der skal til Mars eller en soldat på slagmarken. "

Mens den er bærbar, cortisol-måleenhed kan potentielt måle stress i realtid, de data, den genererer, kan være tvetydige, fordi andre, ikke-stress-relaterede faktorer spiller ind og ændrer læsningen. Det er afgørende, at forskerne først har en solid forståelse af, hvad der præcist udgør stress og definerer et præcist sæt foranstaltninger, der fanger denne tilstand.

Når astronauter sendes ud i det dybe rum, besætningen skal være selvstændig - og det samme gør sundhedsvæsenet. Kredit:NASA

For at studere dette, holdet har oprettet et laboratorium dedikeret til at spore forskellige fysiologiske og molekylære reaktioner på stressudfordringer hos frivillige.

"Vi udsætter dem for kontrollerede stressudfordringer, mens vi udfører en lang række målinger, "siger Sternberg, forskningsdirektør ved UACIM og professor i College of Medicine – Tucson. "Så ser vi på, hvad det minimale sæt af målinger er, der fanger tilstanden."

Når først forskerne ved det, de skal gøre hver måling pålidelig og nøjagtig, så sættet af biomarkørændringer vil nulstille den specifikke udfordring i stedet for at give en læsning, der er drevet af ikke-relaterede faktorer.

"For eksempel, når vi ser på cortisol i sved, vi er nødt til at stille vigtige spørgsmål om den involverede fysiologi, "Siger Skeath." Nedbrydes cortisol over tid? Fortynder andre stoffer det? Mister vi det, før det kommer fra poren til sensoren? Når vi har fået svar på de spørgsmål, så er det tid til ingeniørerne."

Lær maskiner at forvente det uventede

Efterhånden som maskiner bliver smartere, bestræbelser er i gang for at give dem tilstrækkelig autonomi og læringsevner til at arbejde uden menneskeligt tilsyn. Sådanne robotter kunne fungere i miljøer, der er for farlige for mennesker at vove sig ind i - f.eks. naturkatastrofezoner såsom det tsunami-ramte atomkraftværk i Fukushima, Japan, eller uden for rækkevidde af jordbaserede missionskontrolcentre.

I sit Visual and Autonomous Exploration Systems Research Laboratory, Fink og hans team arbejder på at bygge en robotfeltgeolog. I modsætning til traditionelle planetariske missioner, der fokuserer på, sige, et rumfartøj, der studerer et planetarisk legeme fra en høj bane, eller en rover, der analyserer træk ved landskabet på tæt hold, hans koncept med tier-skalerbar rekognoscering efterligner den tilgang, en menneskelig opdagelsesrejsende ville tage ved først at undersøge globale træk, derefter søge ind på arealerne i en bestemt region, og endelig undersøge interessante funktioner på tæt hold.

"I stedet for at sætte alle de smarte på et system, du distribuerer dem mellem flere forskellige og rumligt distribuerede systemer, "Fink forklarer, "og det skaber den redundans og robusthed, du har brug for til en kritisk mission som planetarisk udforskning."

I dette scenarie, en orbiter ville føre tilsyn med et eller flere luftfartøjer såsom blimps eller quadcopters, der svæver i atmosfæren (på planeter, der har en), som igen ville kommandere en flåde af miniaturiserede rovere, henvise dem til forskellige punkter af videnskabelig interesse. At have et sådant team af kunstige forskere, der arbejder autonomt på forskellige niveauer, ville også forbedre den overordnede intelligens, der er forbundet med missionen, siger Fink.

Wolfgang Fink og hans team, inklusive elev Alex Brooks (til venstre), arbejder på at bygge en robotfeltgeolog. Kredit:Bob Demers/UANews

"Især for planeter eller måner i det ydre solsystem, hvor afstanden til Jorden forbyder kommando i realtid, du kan få et sådant system til at udføre sin egen videnskab, implementere og omdirigere sine agenter efter behov for at opnå resultaterne, og beslutte, hvilke der er interessante nok til at blive sendt tilbage til Jorden, " han siger.

I et skift væk fra de nuværende paradigmer, som typisk centrerer sig omkring en meget sofistikeret robot, den niveaudelte nyttelast ville involvere mindre kompleks, billigere og mere forbrugbare enheder, skabe redundans, ifølge Fink.

"Hvis du kun har én rover, du vil ikke placere den til et område, hvor den kan sidde fast eller lide skade, " han siger, "men hvis du har flere til din rådighed, du vil måske risikere at ofre nogle få, hvis det ville hjælpe dig med at besvare spørgsmålet om der var liv på Mars, for eksempel."

Fordi disse robotopdagelsesrejsende bliver nødt til at træffe beslutninger på egen hånd, de har brug for kognitive evner, der indtil nu har været unikke for mennesker, såsom nysgerrighed.

I modsætning til kunstig intelligens, eller AI, Finks forskerhold er ved at udvikle ræsonneringsalgoritmer, der ikke er regelbaserede til at lære maskiner at genkende træk i et landskab, som - af en eller anden grund - en menneskelig opdagelsesrejsende ville klassificere som "interessant". I Finks laboratorium, en lille flåde af sporbærende rovere fungerer som testplatforme:De lærer at udforske et landskab ved at roaming frit, undgå forhindringer og være opmærksom på, hvad der er foran dem.

"Udstyret med vores Automated Global Feature Analyzer softwarepakke, en orbiter eller luftskib ville forsøge at identificere uregelmæssigheder på jorden ved hjælp af et sæt rent matematiske, uvildige algoritmer, Fink forklarer. "Den ville så overføre den information til roverne på jorden, så de kan gå på opdagelse tæt på. Det ville ikke længere være mennesker, der trykker på knapperne."

Det udfordrende arbejde er svært at slå for studerende som Alex Brooks.

"Det unikke ved at arbejde i Dr. Finks laboratorium er, at du virkelig får mulighed for at udføre meget af det faktiske arbejde på projekterne, " siger Brooks. "F.eks. på roverne, for autonomi-delen, Jeg er virkelig den primære udvikler af softwaren, der hjælper dem med at navigere. ... I sit laboratorium, hvis du viser, at du er i stand til at håndtere avanceret arbejde, det kan du udforske."

Fra Cyborgs til Supermennesker

Man kunne se, hvordan grænserne mellem "menneskeligt" og "kunstigt" begynder at udviskes i en fremtid, hvor mennesker og maskiner interfacer og arbejder tættere sammen, og maskiner udfører komplekse missioner med minimalt eller intet menneskeligt tilsyn.

Tag det blomstrende område af bioingeniør, især neuroproteser, hvor implanterbar teknologi bruges til at forhindre anfald af depression og epileptiske anfald, undertrykke rystelser forårsaget af Parkinsons sygdom, eller genoprette hørelsen eller synet.

Finks arbejde med billedbehandling og neurale stimuleringsalgoritmer har dramatisk forbedret ydeevnen af ​​det eneste FDA-godkendte retinale implantat, og har banet vejen for at forbedre opløsningen, så brugeren har en chance for at se mere end blot ansigtstræk og læse store bogstaver.

At give synet tilbage til blinde gennem kunstige synsimplantater eller udskiftning af slagtilfældebeskadiget hjernevæv med biomimetiske anordninger er førende flagskibseksempler på en menneskelig hjerne/maskine-grænseflade. Men man kan se, hvordan det måske kun tager et lille skridt til at "forbedre" ellers sunde individer med teknologi.

Det lyder måske som sci-fi-romaner og -film at gå fra systemer, der overvåger astronauters helbred, piloter, soldater eller atleter til at skabe en slags "overmenneskelig". Men på en måde det er præcis der, tingene foregår, ifølge Fink.

"Der er en kritisk etisk grænse, der skal overvejes, " siger han. "Hvor holder man op med at hjælpe menneskeheden og træder ind i det overnaturliges rige, hvor intet er galt med et menneske, men du prøver at gå oven i det?

"Hvor ender mennesket, og maskinen starter? Skal robotter have rettigheder? Det er det, vi til sidst vil støde på. "


Varme artikler