Одевайтесь с умом. Сенсор, майка, процессор и нянька в одном флаконе.

Действуя вместе отдельные наноразмерные компоненты собираются в материю, обладающую подобием интеллектуальных навыков. Предоставлено: Коринна Каспар.

Помните, во второй части фильма «Назад в будущее», намокшая куртка Марти сама включила режим сушки? Как же нам это нравилось, вкупе с самозатягивающимися на ногах кроссовками! А что, если пойти дальше? Представьте, что ваша одежда автоматически подстраивается под ваши нужды, согревая вас в холода или если вы дрожите, и охлаждая в жару (или когда вы потеете). Или, скажем, смягчая падение на скользком льду… Это станет возможно, если ваши куртка, брюки, свитер или даже деловой костюм научатся не только распознавать ваш дискомфорт, но и изменять свои свойства, чтобы противостоять ему. 

Мы избалованы прогрессом и уже почти привыкли к мысли, что если человек что-то нафантазировал, то когда-нибудь это что-то обязательно осуществится. Однако вот это «когда-нибудь» очень нам иногда не по душе. Интересно, дело в том, что мы разучились терпеть или в том, что вынуждены признаться себе, что понятия не имеем как осуществить свои мечты?

Другими словами, как создать такой гардероб? Чтобы ответить на это, помимо сонма сложнейших расчётов нам придётся найти решения ещё большего числа дилемм. И едва ли не важнейшая из них – подходящий источник энергии. Какая энергия нужна вашей кофте, сколько её понадобится, и где её взять? 

Природа же, словно потешаясь над нами, реализует столь привлекательные функции в несметных количествах. И, по-видимому, без особых усилий. Например, умный свитер с описанными выше функциями является аналогом самого обыкновенного, но и самого большого человеческого органа – кожи. Кожа защищает нас от трения, давления, даже в какой-то мере от радиации. Она также обеспечивает защиту от микроорганизмов и других неблагоприятных воздействий окружающей среды, от потери тепла и от перегрева… И она имеет суперспособности к самоисцелению!

Да, вот к чему нужно стремиться, но – опять же – как это сделать? И что с энергией для умной одежды, чтобы она могла быть всегда начеку и реагировать как настоящая кожа, или даже быстрее и точнее своего природного прототипа?

Вдохновение из человеческого мозга

Тут мы кое-что уже можем предположить. Мы знаем, что работа человеческого мозга – самый энергозатратный процесс во всём организме – обеспечивается всего 20 Вт энергии. И это для бесчисленных параллельных вычислительных процессов между примерно 100 миллиардами нейронов. Это высочайшая энергоэффективность, которая нами пока не покорена несмотря на всё вдохновение и увлечение исследователей этим чудесным произведением эволюции.

Эта массивная параллельная обработка поддерживает когнитивные навыки, в которых компьютерам с нами не потягаться – мы узнаем друга за миллисекунды, в то время как алгоритмам распознавания лиц потребуется гораздо больше времени. Вдохновлённые этим превосходством, мы разрабатываем нетрадиционные вычислительные методы, модели и парадигмы, которые призваны имитировать работу мозга как средство создания систем искусственного интеллекта для решения когнитивных задач.

Но… что такое интеллект? 

Психологически – это способность адаптироваться к изменяющимся условиям и извлекать уроки из прошлых событий. Но если мы говорим о материи… Неужели мы определяем интеллект очень похоже? Синтетически произведённую материю мы считаем «умной» или «интеллектуальной», если она, взаимодействуя с окружающей средой, принимает импульсы и реагирует на них. Такая материя должна уметь получать и обрабатывать обратную связь, хранить соответствующую информацию об этом в качестве опыта и сопоставлять данные, извлекая тем самым своеобразные уроки из прошлого. 

Способна ли материя к восприятию – вопрос спорный, и здесь мы его опустим, потому что в рамках данной статьи это не принципиально.

Интеллектуальное поведение синтетической материи

Так как же всё-таки создать интеллект из синтетической материи?

Главный вопрос – какие компоненты необходимы? Учёные разделили систему функциональности будущей материи на четыре ключевых элемента, которые должны работать вместе. Во-первых, чтобы вещество ткани могло регистрировать импульсы и информацию из окружающей её среды и, соответственно, принимать сигналы обратной связи, необходим сенсорный элемент. В ответ же на внешние раздражители ткань должна уметь изменять свои физические свойства – например форму или прочность. Для этого нужен так называемый актёр или деятель (своего рода двигатель, движущий элемент). 

Поскольку способность вспоминать незаменима в любом учебном процессе, за сохранение полученной информации как знания, чтобы его можно было применить на более позднем этапе, в свою очередь отвечает ещё один важный сегмент, названный элементом хранения.  И наконец, эти три элемента должны иметь возможность связываться друг с другом, для чего необходима сигнальная сеть.

Как уже сказано, чтобы материя получила целевые свойства и научилась не только создавать, но применять полученные интеллектуальные навыки, все четыре этих ключевых функциональных элемента должны работать слаженно, представляя собой цельный механизм. 

Но этого недостаточно. Если эти взаимосвязанные элементы не масштабировать до наноуровня, мы получим этакую электротехническую эволюционную ветвь стимпанка в мире моды. Поэтому все элементы должны быть настолько малы, насколько это вообще возможно, чтобы их можно было рассматривать как нечто единое и использовать как кусок дизайнерской материи. 

Однако помимо этих перспектив, таким образом приобретается ещё одно достоинство: в противовес обычным компьютерам или роботам, в этом сценарии отсутствует такая громадина как центральный процессор. Как мы все знаем, он не только управляет работой системы и обрабатывает и направляет сигналы, но также является весьма и весьма требовательным к энергообеспечению устройством. Да, для затеи с умной одеждой он, прямо скажем, слишком прожорлив. В нашем же случае получается, что сама материя посредством сигнальной паутины берёт на себя роль вычислительного устройства. Это распределение вычислительных нагрузок по всей структуре ткани децентрализует также и энергопотребление, разбивая его на более мелкие величины и потому делая возможным обеспечение питания элементов.

Именно такой подход позволяет произвести интеграцию элементов в общую систему, что и обусловливает реализацию вычислительных процессов внутри самой материи. В результате такой архитектуры мы приближаемся к заветной функциональности человеческого мозга: бесчисленные процессы будут выполняться параллельно. Это поднимет эффективность обработки огромного количества данных на высоты, доселе невиданные при сопутствующих уровнях энергозатрат. Именно такая мощная, и незаметная производительность и пригодится нам, например, для «умного пуловера». И именно поэтому «умная» одежда – это даже больше, чем мы могли представить в фантастическом кино.

Над решением этих и сопутствующих задач работают 26 групп исследователей из Университета Мюнстера, Института молекулярной биомедицины Макса Планка и Университета Твенте. Их усилия по реализации этого проекта объединяются в Центре совместных исследований 1459. Обеспечиваемое таким образом междисциплинарное сотрудничество привлекает физику, химию, материаловедение и биологию. Изучаются молекулярные свойства материалов различных классов – от мягких (вроде полимеров), до твёрдых тел. Разрабатываются новые химические и физические концепции.

АРМК, по материалам Мюнстерского университета