Al bijna 20 jaar, mensen hebben een continue aanwezigheid buiten de aarde behouden. Het internationale ruimtestation heeft gezorgd voor een habitat waar mensen voor langere tijd kunnen leven en werken. Nog, ondanks het feit dat ze een permanente basis hebben gelegd voor leven in de ruimte, terra firma is altijd binnen bereik - binnen 254 mijl, Om precies te zijn. Als een bemanningslid ernstig ziek zou worden, hij of zij zou binnen een paar uur de terugreis naar de aarde kunnen maken.

"Zodra je je buiten een lage baan om de aarde waagt, om naar Mars of zelfs verder te gaan, uitkopen is niet langer een optie, " zegt Wolfgang Fink, universitair hoofddocent en Keonjian bijzonder leerstoel aan de UA's College of Engineering. "Je staat er alleen voor."

Fink voorspelt dat in de niet al te verre toekomst mensen zullen zij aan zij werken met robotmachines, niet-menselijke intelligentie en slimme apparaten op manieren die nog nooit eerder zijn gezien. Menselijke logica en denken zullen worden vergezeld door, en aangevuld met, kunstmatige hersenen en redeneeralgoritmen.

Voor het eerst in de geschiedenis, Fink zegt, we hebben een niveau bereikt waarop spoedig de scheidslijnen tussen wat als 'menselijk' wordt beschouwd en wat als 'kunstmatig' wordt beschouwd, beginnen te vervagen.

Wanneer er geen weg meer terug is

Een bemande missie naar Mars, waarbij sprake is van een heenreis van minimaal een jaar, kan alleen slagen als er geen vitale onderdelen van het systeem onherstelbaar kapot gaan, inclusief die van vlees en bloed. Het wordt van het grootste belang om te anticiperen op systeemstoringen en deze aan te pakken voordat ze optreden. Als er geen dokters in de buurt zijn, niet alleen moet de bemanning autonoom zijn, gezondheidszorg doet, te.

"De sleutel hier is prognose en gezondheidsmanagement, een concept dat begint over te steken van het rijk van de technologie, specifiek in de lucht- en ruimtevaartindustrie waar het al tientallen jaren wordt gebruikt, op het gebied van de menselijke gezondheid, " zegt Fink, die onlangs werd benoemd tot fellow in het Arizona Center for Accelerated Biomedical Innovation, of ACABI, en die aan het hoofd staat van een partnerschap tussen industrie en universiteit, het Centrum voor Informatica en Telegezondheid in de geneeskunde, of InTelMed, bij de UA.

Bijvoorbeeld, veel onderdelen van een modern vliegtuig zijn verbonden met een datanetwerk, zelfs wifi, en zorg voor continue statusupdates zonder toezicht van de bemanning. Dit stelt onderhoudspersoneel in staat om te anticiperen op storingen voordat ze zich voordoen en bij aankomst het vliegtuig te ontmoeten met de juiste onderdelen en gereedschappen die nodig zijn om het probleem te verhelpen.

Of het nu gaat om het laten vliegen van vliegtuigen of het in stand houden van de gezondheid van de mens voor de duur van een diepe ruimtemissie, het idee is hetzelfde, Fink zegt:"In plaats van te proberen de persoon te behandelen als hij eenmaal ziek is, je houdt constant hun gezondheidstoestand in de gaten om eventuele problemen te voorspellen en op te lossen voordat ze zich voordoen."

Gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation, InTelMed heeft als doel het ontwikkelen van door biofeedback gestuurde draagbare sensortechnologieën en mogelijkheden voor het streamen van gegevens in de gezondheidszorg, gecombineerd met cloudgebaseerde intelligente data-analyse, om autonome systemen te creëren die de gezondheidstoestand van individuen kunnen monitoren, onafhankelijk van zorgverleners in het echt.

Een van Finks projecten illustreert hoe deze aanpak in de zeer nabije toekomst kan uitpakken. Met een subsidie ​​van de National Science Foundation, zijn team bedacht een manier om van een smartphone een apparaat voor oogonderzoek te maken. De technologie, die levensveranderend kunnen zijn, vooral in afgelegen, achtergestelde gebieden van de wereld, maakt gebruik van beeldvorming en een afstandsbediening, cloudgebaseerd "expertsysteem" - dat intelligente software gebruikt op basis van ziektemodellen om diagnoses te stellen, net zoals een menselijke medische expert - om snel patiënten te identificeren die het risico lopen hun gezichtsvermogen te verliezen.

Aan het einde van de weg, Fink zegt, het is gemakkelijk om je een activity tracker-achtige apparaten voor te stellen met de mogelijkheid om niet alleen te monitoren, maar ook in te grijpen.

"Sensoren koppelen hun data automatisch aan de cloud, waar datamining-algoritmen een prognose bedenken, diagnose of zelfs een behandeling, " hij zegt, "bijvoorbeeld, door implanteerbare apparaten die bepaalde delen van de hersenen stimuleren en gedragsreacties veroorzaken, zoals het in bedwang houden van hunkeren naar voedsel of het kalmeren van een persoon. Het is een gesloten systeem, net als de thermostaat die de verwarming en koeling in je huis regelt."

De arts aan uw pols

Een onderzoeksteam onder leiding van Esther Sternberg en Perry Skeath van het Centre for Integrative Medicine van de UA, of UACIM, ontwikkelt de volgende generatie draagbare apparaten die de gezondheidsstatus van een persoon in de gaten kunnen houden door biomarkers te meten:bepaalde biochemicaliën in bloed, speeksel, urine of zweet die aangeven hoe een lichaamssysteem functioneert. Na de ontdekking van dat cortisol, een stresshormoon, wordt uitgescheiden in het zweet, de onderzoekers bundelen expertise in geneeskunde, scheikunde, engineering en databeheer om een ​​patchsensor te ontwerpen om stress en vele andere biomarkermoleculen te monitoren.

Gecombineerd met andere sensoren die andere vitale functies zoals hartslag, bloeddruk en zweetreacties, dergelijke technologie kan, in principe, verder worden gevorderd om de gezondheid van astronauten op diepe ruimtemissies op lange termijn te waarborgen. Blijkbaar, mogelijkheden in overvloed voor aardse toepassingen, ook, zoals het monitoren van patiënten met een risico op een beroerte of een hartaanval.

"De apparaten die we ontwikkelen zijn in feite microchemielaboratoria, zodat ze voor veel toepassingen kunnen worden gebruikt, " zegt Skeet, assistent-onderzoeksdirecteur bij UACIM en assistent-professor aan het UA College of Medicine - Tucson. "Het lastige is om de sensorsuite aan te passen aan de taak, of dat nu een astronaut is die naar Mars gaat of een soldaat op het slagveld."

Hoewel een draagbare, cortisol-meetapparaat zou mogelijk stress in realtime kunnen meten, de gegevens die het genereert, kunnen dubbelzinnig zijn omdat andere, niet-stressgerelateerde factoren spelen een rol en veranderen de lezing. Het is van cruciaal belang dat wetenschappers eerst een goed begrip hebben van wat precies stress inhoudt en een precieze reeks maatregelen definiëren om die toestand vast te leggen.

Om dit te bestuderen, het team heeft een laboratorium opgezet dat zich toelegt op het volgen van verschillende fysiologische en moleculaire reacties op stress-uitdagingen bij vrijwilligers.

"We stellen ze bloot aan gecontroleerde stress-uitdagingen tijdens het uitvoeren van een groot aantal metingen, " zegt Sternberg, onderzoeksdirecteur bij UACIM en professor aan het College of Medicine - Tucson. "Dan kijken we naar wat de minimale reeks metingen is die de toestand vastlegt."

Zodra de onderzoekers dat weten, ze moeten elke meting betrouwbaar en nauwkeurig maken, zodat de reeks biomarkerveranderingen zich zal concentreren op de specifieke uitdaging in plaats van een lezing te geven die wordt aangedreven door niet-gerelateerde factoren.

"Bijvoorbeeld, als we kijken naar cortisol in zweet, we moeten belangrijke vragen stellen over de betrokken fysiologie, "zegt Skeath. "Degradeert cortisol in de loop van de tijd? Verdunnen andere stoffen het? Verliezen we het voordat het van de porie naar de sensor gaat? Zodra we die vragen hebben beantwoord, dan is het tijd voor de ingenieurs."

Machines leren het onverwachte te verwachten

Naarmate machines slimmer worden, er worden inspanningen geleverd om hen voldoende autonomie en leervermogen te geven om te werken zonder enig menselijk toezicht. Dergelijke robots kunnen werken in omgevingen die te gevaarlijk zijn voor mensen om zich in te wagen, bijvoorbeeld natuurrampgebieden zoals de door de tsunami getroffen kerncentrale in Fukushima, Japan, of buiten het bereik van op aarde gebaseerde missiecontrolecentra.

In zijn Visual and Autonomous Exploration Systems Research Laboratory, Fink en zijn team werken aan het bouwen van een robotveldgeoloog. In tegenstelling tot traditionele planetaire missies die zich richten op, zeggen, een ruimtevaartuig dat een planetair lichaam vanuit een hoge baan bestudeert, of een rover die kenmerken van het landschap van dichtbij analyseert, zijn concept van schaalbare verkenning bootst de benadering na die een menselijke ontdekkingsreiziger zou volgen door eerst globale kenmerken te onderzoeken, dan inzoomen op de ligging van het land in een bepaalde regio, en ten slotte interessante functies van dichtbij te onderzoeken.

"In plaats van alle smarts op één systeem te zetten, je verdeelt ze over verschillende en ruimtelijk verdeelde systemen, "Fink legt uit, "en dat zorgt voor de redundantie en robuustheid die je nodig hebt voor een cruciale missie zoals planetaire verkenning."

In dit scenario, een orbiter zou toezicht houden op een of meer luchtvaartuigen zoals zeppelins of quadcopters die in de atmosfeer zweven (op planeten die er een hebben), die op zijn beurt een vloot van geminiaturiseerde rovers zou aanvoeren, hen naar verschillende punten van wetenschappelijk belang te leiden. Als zo'n team van kunstmatige wetenschappers autonoom op verschillende niveaus zou werken, zou ook de algehele intelligentie die inherent is aan de missie verbeteren, zegt Fink.

"Vooral voor planeten of manen in het buitenste zonnestelsel, waar de afstand tot de aarde realtime bevelen verbiedt, je kunt zo'n systeem zijn eigen wetenschap laten uitvoeren, zijn agenten inzetten en omleiden als dat nodig is om de resultaten te verkrijgen, en beslissen welke interessant genoeg zijn om terug naar de aarde te worden gestuurd, " hij zegt.

In een verschuiving weg van de huidige paradigma's, die meestal rond één zeer geavanceerde robot draaien, de gelaagde lading zou minder complexe, goedkopere en meer vervangbare eenheden, redundantie creëren, volgens Fink.

"Als je maar één rover hebt, je gaat het niet inzetten in een gebied waar het vast kan komen te zitten of schade kan oplopen, " hij zegt, "maar als je er meerdere tot je beschikking hebt, misschien wil je het risico lopen er een paar op te offeren, als dat je zou helpen de vraag te beantwoorden of er leven was op Mars, bijvoorbeeld."

Omdat deze robotverkenners zelf beslissingen moeten nemen, ze hebben cognitieve vaardigheden nodig die tot nu toe uniek waren voor mensen, zoals nieuwsgierigheid.

In tegenstelling tot kunstmatige intelligentie, of AI, Het onderzoeksteam van Fink ontwikkelt redeneringsalgoritmen die niet op regels zijn gebaseerd om machines te leren kenmerken in een landschap te herkennen die een menselijke ontdekkingsreiziger om de een of andere reden als 'interessant' zou classificeren. In Finks laboratorium, een kleine vloot spoordragende rovers dient als testplatform:ze leren een landschap te verkennen door vrij rond te dwalen, obstakels vermijden en aandacht besteden aan wat zich voor hen bevindt.

"Uitgerust met ons Automated Global Feature Analyzer-softwarepakket, een orbiter of luchtballon zou proberen om anomalieën op de grond te identificeren met behulp van een reeks puur wiskundige, onbevooroordeelde algoritmen, Fink legt uit. "Het zou die informatie dan doorgeven aan de rovers op de grond, zodat ze van dichtbij op onderzoek kunnen gaan. Niet langer zouden mensen degenen zijn die op de knoppen drukken."

Het uitdagende werk is moeilijk te verslaan voor studenten zoals Alex Brooks.

"Het unieke aan werken in het laboratorium van Dr. Fink is dat je echt de kans krijgt om veel van het daadwerkelijke werk aan de projecten te doen, " zegt Brooks. "Bijvoorbeeld, op de rovers, voor het autonomiegedeelte, Ik ben echt de primaire ontwikkelaar van de software die hen helpt navigeren. ... In zijn laboratorium, als je laat zien dat je in staat bent om geavanceerd werk aan te kunnen, dat kun je onderzoeken."

Van cyborgs tot supermensen

Je zou kunnen zien hoe de scheidslijnen tussen 'menselijk' en 'kunstmatig' beginnen te vervagen in een toekomst waarin mens en machine steeds nauwer samenwerken en samenwerken. en machines voeren complexe missies uit met minimaal of geen menselijk toezicht.

Neem het bloeiende veld van bio-engineering, vooral neuroprothesen, waar implanteerbare technologie wordt gebruikt om aanvallen van depressie en epileptische aanvallen te voorkomen, onderdrukken tremoren veroorzaakt door de ziekte van Parkinson, of het gehoor of gezichtsvermogen herstellen.

Finks werk aan beeldverwerking en neurale stimulatie-algoritmen heeft de prestaties van het enige door de FDA goedgekeurde netvliesimplantaat drastisch verbeterd. en heeft de weg vrijgemaakt om de resolutie te verbeteren, zodat de drager de kans heeft om meer te zien dan alleen gelaatstrekken en grote letters.

Het zicht teruggeven aan blinden door middel van kunstmatige zichtimplantaten of het vervangen van door een beroerte beschadigd hersenweefsel door biomimetische apparaten zijn vooraanstaande voorbeelden van een menselijk brein/machine-interface. Maar je kunt zien dat het misschien maar een kleine stap is om verder gezonde individuen met technologie te 'verbeteren'.

Het klinkt misschien als het spul van sci-fi-romans en films om te gaan van systemen die de gezondheid van astronauten bewaken, piloten, soldaten of atleten om een ​​soort 'bovenmenselijk' te creëren. Maar in zekere zin dat is precies waar het heen gaat, volgens Fink.

"Er is een kritische ethische grens die moet worden overwogen, "zegt hij. "Waar stop je met het helpen van de mensheid en betreed je het rijk van het bovennatuurlijke waar niets mis is met een mens, maar probeer je daar bovenop te komen?

"Waar eindigt de mens, en de machine beginnen? Moeten robots rechten hebben? Dit is waar we uiteindelijk tegenaan zullen lopen."