Seksjonen forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU og UiO.
Roboten (høyre) skal bli til en cyborg, en blanding av robot og levende biologisk materiale. NTNU-forskere dyrker hjerneceller (nederst til venstre) og bruker en nerveteknikk for å lage en kobling mellom biologisk hjernevev og en datamaskin. Øverst til venstre: Stipendiatene Ola Huse Ramstad og Rosanne van de Wijdeven. (Bilde: Kai T Dragland NTNU)

Forskere ved NTNU utvikler en robot som skal styres av levende hjerneceller

Studentene får sin egen "menneskelige" R2D2.

  • Forskning

Kyborger har vært en del av vår fantasiverden så lenge science fiction-sjangeren har eksistert. Denne krysningen mellom levende organisme og maskin har blitt brukt til å skremme og underholde, og til å utforske grenselandet mellom menneske og teknologi.

Ved NTNU er kyborgen i ferd med å bli virkelighet. Der jobber forskere og studenter med å bygge en interaktiv sosial robot som skal kobles til en biologisk «hjerne».

På sikt blir den kanskje en kjent figur på campus – samtidig som den kan hjelpe forskere med å forstå hvordan hjerneskader kan repareres og hvordan nye typer datamaskiner kan konstrueres.

Vil bli vennen din

– Vi starter med maskinen, og så gjør vi den «levende». Da må vi legge til biologiske nerveceller som vi må holde i live – og så få dem til å kommunisere med en datamaskin, forklarer forsker Stefano Nichele ved Institutt for datateknologi og informatikk ved NTNU.

Han koordinerer NTNU Cyborg, et prosjekt som favner en rekke av NTNUs fagmiljøer – fra datateknologi og kybernetikk til nevromedisin, etikk og design.

Målet er å bygge en sosial robot som skal rusle rundt på campus og kommunisere med studenter og ansatte. Den skal klare å kontakte deg og kjenne deg igjen, og til og med sende deg en venneforespørsel på Facebook. Det som gjør denne konstruksjonen unik, er sammenkoblingen mellom robot og levende nervenettverk. Ifølge Nichele, kan arbeidet åpne for flere forskningsgjennombrudd innenfor en rekke fagfelt.

– Nevromedisinerne ønsker for eksempel å forstå hvordan hjernen kan reparere seg selv etter et hjerneskade. Vi ønsker å forstå hvordan vi kan gjøre maskiner i stand til å lære og tilpasse seg, ved å overføre prinsipper fra nevromedisin til datamaskiner, forteller han.

«Hjernen» skal styre kyborgen

Selve roboten har begynt å ta form. Nevromedisinerne har også «dyrket» et biologisk nervenettverk ut fra nær 100.000 nerveceller i et laboratorium. Elektroder kobler nervenettverket til en datamaskin, og forskerne kan observere hva nettverket «sier» gjennom å registrere elektriske signaler. De kan også sende signaler tilbake til nervenettverket – eller stimulere det på ulikt vis og dermed «lære» det å oppføre seg på en bestemt måte.

Noen av de involverte demonstrerer cyborgen. Stipendiat Peter Aaser, hovedveileder Sverre Hendseth, stipendiat Martinius Knudsen og masterstudent Jørgen Waløen Foto: Kai T. Dragland/NTNU.
Noen av de involverte demonstrerer cyborgen. Stipendiat Peter Aaser, hovedveileder Sverre Hendseth, stipendiat Martinius Knudsen og masterstudent Jørgen Waløen Foto: Kai T. Dragland/NTNU.

Stefano Nichele og hans IT-kolleger jobber med å prosessere dataene fra hjernenettverket, og «oversette» dem til et språk som roboten kan forstå. De lærer seg altså å kommunisere med det biologiske materialet som nevromedisinerne har dannet.

I dag kommuniserer det biologiske nervenettverket med et kunstig nervenettverk som igjen styrer roboten. På sikt håper Nichele at de skal klare å fjerne det kunstige hjernenettverket, slik at «læringen» fullt og helt skjer i det biologiske nervenettverket.

På den måten kan det biologiske nervenettverket etter hvert klare å kontrollere robotens bevegelser, og roboten kan lære å tilpasse seg ulike situasjoner. Samtidig åpner dette for at vi i framtiden kan bygge unike biologiske datamaskiner av levende nerveceller som kan lære over tid.

Bedre behandling av hjerneskader

Moderne bioteknologi gjør det forholdsvis enkelt å bygge biologiske nervenettverk. Forskerne kan for eksempel ta celler fra huden til ei rotte – eller et menneske – og omforme dem til nerveceller. I dag kan nervenettverk som dannes, leve i opptil et år under gode forhold.

Forsker Ioanna Sandvig ved Institutt for nevromedisin og bevegelsesvitenskap ved NTNU tenker likevel ikke på slike nervenettverk som en «hjerne», men heller som et hierarki av nervenettverk. Selv om det er snakk om svært enkle nettverk, kan forskerne lære mye om hjernefunksjonen, hvordan nervecellene kommuniserer med hverandre og hvordan koblingene i nervenettverkene dannes. De forholdsvis enkle nettverkene kan også bli ganske store og kraftige etter hvert.

Nettverkene kan brukes for å studere normal hjernefunksjon, men også mekanismer bak sykdom og skade. Sandvig og hennes kolleger, blant dem den sentrale stipendiaten Ola Huse Ramstad, ønsker å lære så mye om nervecellene at de kan forstå hvordan hjernen kan reparere seg selv etter en hjerneskade.

Klarer de det, kan resultatet bli langt bedre behandlingstilbud for pasienter med ryggmargsskader, sykdommer som Parkinson’s eller ALS, og for pasienter som har hatt hjerneslag.

– Selv om hjernenettverkene som vi dyrker fram gjennom dette prosjektet, ikke er en hel hjerne, klarer vi å hente ut veldig viktig informasjon ved å studere dem. For disse pasientene vil dessuten selv små framskritt ha stor betydning, forklarer hun.

Mange ideer

På et lite kontor sitter Thomas Rostrup Andersen fra Institutt for kybernetikk. Han er en av fire masterstudenter som er involvert i utviklingen. Bak ham står en foreløpig versjon av kyborgen. Øyensynlig hviler den.

– Jeg jobber med å lage en kontrollmodul for roboten, sier Andersen, som snart leverer masteroppgaven.

En microelectrode array (MEA) chip som inneholder nevroner. Foto: Kai T Dragland NTNU.
En microelectrode array (MEA) chip som inneholder nevroner. Foto: Kai T Dragland NTNU.

Egentlig jobber han med kjernen av roboten. Andersen bidrar til at de ulike delene av den snakker sammen.

Et kamera skal registrere bevegelser og ansikt, en selfiearm kan heves og ta bilder sammen med folk kyborgen støter på. En skjerm skal kobles til med et trollansikt som tilsynelatende viser følelser. Dette trollansiktet er for øvrig utviklet av Mark Sagar, som også jobber med spesialeffekter for Hollywood. 

Mange ideer skal prøves ut. Jobben til Andersen og hans arvtaker er å henge med og sørge for at ideene virker i praksis og sammen med hverandre.

Kyborgen er kontinuerlig under utvikling, og masterstudenter og ti studenter fra Eksperter i Team er involvert i arbeidet. Det er ikke akkurat et problem å rekruttere studenter til dette. Hovedveileder for studentene er Sverre Hendseth.

I bunnen ligger ROS, eller Robot Operating System, et open source-program som er en av standardene som brukes under utviklingen av roboter.

– Slett ikke umulig

Veileder og koordinator for denne delen av kyborg-utviklingen er stipendiat Martinius Knudsen ved Institutt for teknisk kybernetikk. Men hans hovedjobb er å få de biologiske delene av kyborgen til å snakke med de mekaniske.

– Det å utvikle en sosial robot er jo et ambisiøst mål i seg selv. Det å bruke biologiske nerveceller som kjerne, og dermed gjøre dette til en kyborg, gjør det ekstra utfordrende. Men slett ikke umulig, sier Knudsen.

Heidrun Åm er samfunnsviter og forsker ved Institutt for tverrfaglige kulturstudier ved NTNU. Hun mener det gjelder å være forberedt på fremtidens teknologi. Hva vil vi med den? Foto: NTNU.
Heidrun Åm er samfunnsviter og forsker ved Institutt for tverrfaglige kulturstudier ved NTNU. Hun mener det gjelder å være forberedt på fremtidens teknologi. Hva vil vi med den? Foto: NTNU.

Biologiske nerveceller fyrer elektriske impulser. Disse impulsene kan oppfattes og tolkes av maskiner. Som mellomledd brukes microelectrode arrays, eller MEAer, og teknikken bak er komplisert, men handler om å lese av ekstracellulære elektriske potensialer. Kommunikasjonen kan gå begge veier mellom maskin og biologiske deler.

Nevronene krever bestemte forhold for å overleve. Korrekte gasskonsentrasjoner, næring og sterile omgivelser for å unngå infeksjon. Det mest praktiske blir dermed at nevronene fortsetter å leve ved St. Olav, mens impulsene sendes trådløst mellom dem og roboten. Det blir litt som om du har hjernen din et annet sted enn kroppen. Skjønt en hjerne er det altså slett ikke.

– Den bør nok heller ansees som en biologisk prosesseringsenhet. Nervecellenettverket består av omkring 100.000 nevroner, som er et stykke unna de 86 milliarder i den voksne menneskehjernen, sier Knudsen.

Men det finnes enkle livsformer som klarer seg med så få. Dermed dukker de etiske spørsmålene opp. 

Er det denne fremtiden vi vil ha?

Heidrun Åm er samfunnsviter og forsker ved Institutt for tverrfaglige kulturstudier ved NTNU.

Åm tror ikke akkurat at NTNUs blanding mellom robot og biologiske celler er noen fare. Men fremtidens teknologi vil være langt mer avansert. Det gjelder å være forberedt.

På generelt grunnlag er Åm opptatt av at vi skal vite hva vi holder på med for å sikre en demokratisk og inkluderende utvikling.

– Vi trenger en oversikt over hvilke valg som blir tatt i slike prosjekter og hvilke konsekvenser det kan ha på samfunnsutviklingen. Bare sånn kan vi ta informerte valg om det er denne fremtiden vi vil ha, mener Åm.

Derfor blir det viktig å inkludere samfunnsforskere. Kan forskningen ha uønskede effekter? Hva er min rolle i det hele? Hvem tar ansvar hvis noe går galt? Vi må forstå og regulere den vitenskapelige utviklingen, slik at den ikke truer verdigrunnlaget i samfunnet.

Hva gjør forskere og ingeniører for å garantere at folk flest stoler på at utviklingen er til gagn for dem? Forskere og resten av befolkningen kan raskt havne på kollisjonskurs.

– Folks tillit må vinnes, hvis ikke kan debatten om kunstig intelligens bli en ny av den sorten som går om genmodifiserte matvarer, sier hun.

Kommentarer (2)

Kommentarer (2)