Da quasi 20 anni, gli umani hanno mantenuto una presenza continua oltre la Terra. La Stazione Spaziale Internazionale ha fornito un habitat in cui gli esseri umani possono vivere e lavorare per lunghi periodi di tempo. Ancora, pur avendo stabilito una base permanente per la vita nello spazio, la terraferma è sempre a portata di mano, entro 254 miglia, per essere precisi. Se un membro dell'equipaggio dovesse ammalarsi gravemente, lui o lei potrebbe fare il viaggio di ritorno sulla Terra in poche ore.

"Non appena ti avventuri oltre l'orbita terrestre bassa, per andare su Marte o anche oltre, il salvataggio non è più un'opzione, "dice Wolfgang Fink, professore associato e Keonjian Endowed Chair presso il College of Engineering dell'UA. "Sei da solo."

Fink prevede che in un futuro non troppo lontano, gli umani lavoreranno fianco a fianco con macchine robotiche, intelligenza non umana e dispositivi intelligenti in modi mai visti prima. La logica e il pensiero umani saranno uniti da, e completato da, cervelli artificiali e algoritmi di ragionamento.

Per la prima volta nella storia, Fink dice, abbiamo raggiunto un livello in cui presto i confini tra ciò che è considerato "umano" e ciò che è considerato "artificiale" iniziano a sfumare.

Quando non si torna indietro

Una missione con equipaggio su Marte, che preveda un viaggio di andata di almeno un anno, può avere successo solo se nessuna parte vitale del sistema si rompe irreparabilmente, compresi quelli fatti di carne e sangue. Anticipare i guasti del sistema e risolverli prima che si verifichino diventa fondamentale. Quando non ci sono dottori in giro, non solo l'equipaggio deve essere autonomo, l'assistenza sanitaria fa, pure.

"La chiave qui è la prognosi e la gestione della salute, un concetto che sta cominciando ad attraversare dal regno della tecnologia, in particolare nel settore aerospaziale dove è utilizzato da decenni, nel regno della salute umana, "dice Fink, che di recente è stato nominato membro dell'Arizona Center for Accelerated Biomedical Innovation, o ACABI, e che sta guidando una partnership tra industria e università, il Centro per l'informatica e la telemedicina, o InTelMed, presso l'UA.

Per esempio, molte parti di un aereo moderno sono collegate a una rete dati, anche Wi-Fi, e fornire aggiornamenti di stato continui senza supervisione da parte dell'equipaggio. Ciò consente al personale di manutenzione di anticipare i malfunzionamenti prima che si verifichino e di incontrare l'aereo all'arrivo con le parti e gli strumenti giusti necessari per porre rimedio al problema.

Che si tratti di far volare gli aeroplani o di mantenere la salute umana per la durata di una missione nello spazio profondo, l'idea è la stessa Fink dice:"Piuttosto che cercare di curare la persona una volta che è malata, monitori costantemente il loro stato di salute per prevedere e porre rimedio a eventuali problemi prima che si verifichino."

Finanziato in parte dalla National Science Foundation, InTelMed ha l'obiettivo di ideare tecnologie di sensori indossabili controllati dal biofeedback e capacità di streaming dei dati sanitari, abbinato all'analisi intelligente dei dati basata su cloud, creare sistemi autonomi in grado di monitorare lo stato di salute degli individui indipendentemente dagli operatori sanitari in carne ed ossa.

Uno dei progetti di Fink illustra come questo approccio potrebbe svolgersi nel prossimo futuro. Con una sovvenzione della National Science Foundation, il suo team ha creato un modo per trasformare uno smartphone in un dispositivo per l'esame della vista. La tecnologia, che potrebbe cambiare la vita soprattutto in remoto, aree meno servite del mondo, utilizza l'imaging e un telecomando, "sistema esperto" basato su cloud, che utilizza un software intelligente basato su modelli di malattia per suggerire diagnosi molto simile a un esperto medico umano, per identificare rapidamente i pazienti a rischio di perdere la vista.

Lungo la strada, Fink dice, è facile immaginare dispositivi simili a tracker di attività con la capacità non solo di monitorare ma anche di intervenire.

"I sensori collegano automaticamente i loro dati al cloud, dove gli algoritmi di data mining forniscono una prognosi, diagnosi o addirittura un trattamento, " lui dice, "Per esempio, attraverso dispositivi impiantabili che stimolano alcune parti del cervello e innescano risposte comportamentali come frenare le voglie di cibo o calmare una persona. È un sistema a circuito chiuso, proprio come il termostato che controlla il riscaldamento e il raffreddamento di casa tua."

Il medico al tuo polso

Un team di ricerca guidato da Esther Sternberg e Perry Skeath del Center for Integrative Medicine dell'UA, o UACIM, sta sviluppando la prossima generazione di dispositivi indossabili in grado di tenere sotto controllo lo stato di salute di una persona misurando i biomarcatori:particolari sostanze biochimiche nel sangue, saliva, urina o sudore che indicano come funziona un sistema corporeo. Dopo aver scoperto che il cortisolo, un ormone dello stress, è secreto dal sudore, i ricercatori stanno combinando competenze in medicina, chimica, ingegneria e gestione dei dati per progettare un sensore patch per monitorare lo stress e molte altre molecole di biomarcatori.

In combinazione con altri sensori che tengono sotto controllo altri elementi vitali come la frequenza cardiaca, risposta alla pressione sanguigna e al sudore, tale tecnologia potrebbe, in linea di principio, essere ulteriormente avanzato per garantire la salute a lungo termine degli astronauti nelle missioni nello spazio profondo. Ovviamente, abbondano le possibilità per le applicazioni terrene, anche, come il monitoraggio di pazienti a rischio di ictus o infarto.

"I dispositivi che stiamo sviluppando sono fondamentalmente laboratori di microchimica, quindi possono essere utilizzati per molte applicazioni, "dice Skeath, assistente direttore di ricerca presso UACIM e assistente professore presso l'UA College of Medicine – Tucson. "La parte difficile è adattare la suite di sensori al compito, che si tratti di un astronauta che va su Marte o di un soldato sul campo di battaglia".

Mentre un indossabile, il dispositivo di misurazione del cortisolo potrebbe potenzialmente misurare lo stress in tempo reale, i dati che genera possono essere ambigui perché altri, fattori non legati allo stress entrano in gioco e modificano la lettura. È fondamentale che gli scienziati abbiano prima una solida comprensione di ciò che costituisce esattamente lo stress e definiscano una serie precisa di misure che catturino tale condizione.

Per studiare questo, il team ha creato un laboratorio dedicato al monitoraggio di varie risposte fisiologiche e molecolari alle sfide da stress nei volontari.

"Li esponiamo a sfide di stress controllato durante l'esecuzione di una serie di misurazioni, "dice Sternberg, direttore di ricerca presso UACIM e professore presso il College of Medicine – Tucson. "Poi esaminiamo qual è il set minimo di misurazioni che cattura la condizione".

Una volta che i ricercatori lo sanno, hanno bisogno di rendere ogni misurazione affidabile e accurata, in modo che l'insieme dei cambiamenti dei biomarcatori si concentri sulla sfida specifica piuttosto che dare una lettura guidata da fattori non correlati.

"Per esempio, quando osserviamo il cortisolo nel sudore, dobbiamo porre domande importanti sulla fisiologia coinvolta, " Skeath dice. "Il cortisolo si degrada nel tempo? Altre sostanze lo diluiscono? Lo perdiamo prima che arrivi dal poro al sensore? Una volta che abbiamo risposto a queste domande, poi tocca agli ingegneri".

Insegnare alle macchine ad aspettarsi l'inaspettato

Man mano che le macchine diventano più intelligenti, sono in corso sforzi per dotarli di autonomia e capacità di apprendimento sufficienti per lavorare senza alcuna supervisione umana. Tali robot potrebbero operare in ambienti troppo pericolosi per gli esseri umani in cui avventurarsi, ad esempio, zone disastrate naturali come la centrale nucleare colpita dallo tsunami a Fukushima, Giappone, o oltre la portata dei centri di controllo delle missioni terrestri.

Nel suo laboratorio di ricerca sui sistemi di esplorazione visiva e autonoma, Fink e il suo team stanno lavorando alla creazione di un geologo robotico. A differenza delle missioni planetarie tradizionali che si concentrano su, dire, un'astronave che studia un corpo planetario da un'orbita alta, o un rover che analizza le caratteristiche del paesaggio a distanza ravvicinata, il suo concetto di ricognizione scalabile a livelli imita l'approccio che un esploratore umano adotterebbe esaminando prima le caratteristiche globali, poi puntando sulla conformazione del terreno in una certa regione, e infine indagando a distanza ravvicinata caratteristiche interessanti.

"Invece di mettere tutta l'intelligenza in un unico sistema, li distribuisci tra più sistemi diversi e spazialmente distribuiti, "Fink spiega, "e questo crea la ridondanza e la robustezza necessarie per una missione critica come l'esplorazione planetaria".

In questo scenario, un orbiter sorveglierebbe uno o più veicoli aerei come dirigibili o quadricotteri in bilico nell'atmosfera (sui pianeti che ne hanno uno), che a sua volta comanderebbe una flotta di rover miniaturizzati, indirizzandoli ai vari punti di interesse scientifico. Avere un tale team di scienziati artificiali che lavorano in modo autonomo su diversi livelli migliorerebbe anche l'intelligenza complessiva inerente alla missione, dice Fink.

"Specialmente per i pianeti o le lune del sistema solare esterno, dove la distanza dalla Terra vieta il comando in tempo reale, puoi fare in modo che un tale sistema conduca la propria scienza, distribuire e reindirizzare i suoi agenti secondo necessità per ottenere i risultati, e decidere quali sono abbastanza interessanti da essere rispediti sulla Terra, " lui dice.

In un allontanamento dai paradigmi attuali, che tipicamente ruotano attorno a un robot altamente sofisticato, il carico utile a più livelli implicherebbe una minore complessità, unità meno costose e più sacrificabili, creando ridondanza, secondo Fink.

"Se hai un solo rover, non lo distribuirai in un'area in cui potrebbe rimanere bloccato o subire danni, " lui dice, "ma se ne hai diversi a tua disposizione, potresti voler rischiare di sacrificarne alcuni, se questo ti aiutasse a rispondere alla domanda se ci fosse vita su Marte, Per esempio."

Poiché questi esploratori robotici dovranno prendere decisioni da soli, avranno bisogno di capacità cognitive che fino ad ora sono state uniche per gli esseri umani, come la curiosità.

Al contrario dell'intelligenza artificiale, o AI, Il team di ricerca di Fink sta sviluppando algoritmi di ragionamento che non sono basati su regole per insegnare alle macchine a riconoscere le caratteristiche in un paesaggio che, per un motivo o per l'altro, un esploratore umano classificherebbe come "interessante". Nel laboratorio di Fink, una piccola flotta di rover cingolati funge da piattaforma di prova:imparano a esplorare un paesaggio vagando liberamente, evitando gli ostacoli e prestando attenzione a ciò che gli sta di fronte.

"Dotato del nostro pacchetto software Automated Global Feature Analyzer, un orbiter o un dirigibile cercherebbe di identificare le anomalie sul terreno utilizzando un insieme di dati puramente matematici, algoritmi imparziali, "Spiega Fink. "Poi trasferirebbe tali informazioni ai rover a terra, così possono andare a indagare da vicino. Non sarebbero più gli umani a premere i pulsanti".

Il lavoro impegnativo è difficile da battere per studenti come Alex Brooks.

"La particolarità del lavoro nel laboratorio del Dr. Fink è che si ha davvero l'opportunità di svolgere gran parte del lavoro effettivo sui progetti, " dice Brooks. "Per esempio, sui rover, per la parte di autonomia, Sono davvero lo sviluppatore principale per il software che li aiuta a navigare. ... Nel suo laboratorio, se dimostri di essere in grado di gestire un lavoro avanzato, puoi esplorarlo."

Dai cyborg ai superumani

Si potrebbe vedere come i confini tra "umano" e "artificiale" inizino a sfumare in un futuro in cui uomini e macchine si interfacciano e lavorano insieme sempre più strettamente, e le macchine eseguono missioni complesse con una supervisione umana minima o nulla.

Prendi il campo in forte espansione della bioingegneria, soprattutto neuroprotesi, dove viene utilizzata la tecnologia impiantabile per prevenire attacchi di depressione e crisi epilettiche, sopprimere i tremori causati dal morbo di Parkinson, o ripristinare l'udito o la vista.

Il lavoro di Fink sull'elaborazione delle immagini e sugli algoritmi di stimolazione neurale ha notevolmente migliorato le prestazioni dell'unico impianto retinico approvato dalla FDA, e ha aperto la strada al miglioramento della sua risoluzione in modo tale che chi lo indossa abbia la possibilità di vedere più dei semplici tratti del viso e leggere caratteri con caratteri grandi.

Restituire la vista ai non vedenti attraverso impianti di visione artificiale o sostituire il tessuto cerebrale danneggiato da ictus con dispositivi biomimetici sono i principali esempi di un'interfaccia cervello umano/macchina. Ma si può vedere come possa bastare solo un piccolo passo per "migliorare" individui altrimenti sani con la tecnologia.

Potrebbe sembrare roba da romanzi e film di fantascienza passare dai sistemi di monitoraggio della salute degli astronauti, piloti, soldati o atleti per creare una sorta di "superumano". Ma in un certo senso è esattamente dove stanno andando le cose, secondo Fink.

"C'è un limite etico critico che deve essere considerato, " dice. "Dove smetti di aiutare l'umanità ed entri nel regno del soprannaturale dove non c'è niente di sbagliato in un umano, ma provi ad andare oltre?

"Dove finisce l'umano, e la macchina inizia? I robot dovrebbero avere diritti? Questo è ciò in cui ci imbatteremo alla fine".