Цифровое сердце бьется: настоящее и будущее виртуальных двойников

Цифровые двойники предлагают человечеству возможность управлять виртуальными копиями дорог, нефтяных месторождений, городов, цепочек поставок — и даже, возможно, однажды, наших тел. О том, как разрабатываются такие проекты, рассказывает журналист Джо Заде из Noema.

Утром 24 июня 1993 года профессор Йельского университета Дэвид Гелернтер поднялся в свой кабинет на пятом этаже с большой стопкой неразобранной почты. Одна папка, запакованная в пластиковый пакет с зип-застежкой, выглядела, как диссертация. Расстегнув молную, профессор увидел резкую вспышку. Повалил белый дым, что-то взорвалось, осколки попали в глаза, руки, тело, в книги и бумаги вокруг. Разгорелся огонь, тут же сработала система пожаротушения, установленная под потолком.

Гелернтер был 14-м человеком, на которого напал Unabomber, серийный убийца Теодор Джон Качинский, мечтавший разрушить современные технологии и вернуть человечество к примитивному образу жизни. Рассылая бомбы почтой, он убил трех человек и ранил 23. Гелернтер частично потерял зрение, получил серьезные повреждения руки и внутренних органов, но выжил.

А через два года Качинский отправил ему еще одно послание. На этот раз не бомбу, а письмо, в котором он объяснял свой поступок тем, что прочел книгу Гелернтера «Зеркальные миры». Она была опубликована в 1991 году, когда интернетом еще почти никто не пользовался. Но Гелернтер уверял, что вот-вот произойдет компьютерная революция. Он считал, что каждый аспект жизни, каждая система, каждая часть мира будет смоделирована с помощью параллельной цифровой симуляции. Все, что происходит в живой реальности, будет копироваться программным обеспечением с постоянным потоком новых данных, поступающих с помощью кабелей. И этот точный зеркальный мир в цифровом формате можно будет просматривать, взаимодействовать с ним, экспериментировать, манипулировать, словно с кукольным домиком. Он станет приборной панелью реальности.

Гелернтер писал, что «высокотехнологичные куклы вуду ознаменуют новую эру в отношениях человечества с рукотворным миром. Они изменят эти отношения во благо», ведь можно будет не просто следить за тем, что происходит во всем мире, но и предсказывать, что может произойти, используя бесконечные симуляции возможных событий. Мы могли бы подготовиться к любому исходу – любому будущему – в физическом мире, потому что знали бы, что нас ждет. Гелернтер считал, что зеркальные миры могут воплотиться в жизнь через десять лет после публикации его книги, но ничего близкого к этому тогда не произошло. Мечта была за пределами доступных технологий.

Есть такая фраза — «время для парового двигателя». Она определяет временной период, когда множество людей независимо друг от друга приходят к одной и той же технологической идее. В середине 2000-х годов эксперт по производству Майкл Гривс начал думать над способами повышения эффективности заводов. Он считал, что на компьютере должна быть создана точная виртуальная копия всего завода — каждого цеха, каждой машины, каждого уголка, погрузчика, рабочего — чтобы менеджер мог следить за эффективностью, не заглядывая в цеха. Для этого необходимо было создать непрерывный поток данных, обеспеченных сетью камер и датчиков, которые передавали бы обстановку с реального завода на виртуальный.

Это дало бы возможность не только отслеживать текущую работу, но и симулировать ситуации: как изменение одной производственной линии повлияет на весь завод. Запустите симуляцию и посмотрите, что произойдет. А если что-то пойдет не так, отмотайте назад и выясните это. Менеджеру даже не нужно находиться рядом с фабрикой, можно и на пляже лежать. Гривс и исследователь НАСА Джон Викерс, который размышлял о похожей идее, назвали это «цифровым двойником».

В последнее десятилетие, благодаря развитию искусственного интеллекта, Интернета вещей, сенсорных технологий эта идея стала реальностью. BMW создала цифрового двойника завода в Баварии, Boeing использует цифровых двойников для проектирования самолетов. Всемирный экономический форум назвал цифровых двойников ключевой технологией четвертой промышленной революции. Цифровые двойники могут устранить неэффективность физического мира.

Первым городом, который начал процесс создания своего цифрового двойника, был Сингапур. Город был отсканирован с земли и с воздуха с помощью самолетов, дронов и автомобилей, снабженных датчиками. Были объединены данные о погоде, демографии, дорожном траффике. Цифровой двойник города можно использовать для моделирования строительных проектов, последствий природных катаклизмов, создания подземной инфраструктуры. К тем же технологиям прибегли и в Тувалу, но с другой целью. Государство, состоящее из островов в Тихом океане, может полностью исчезнуть, но его можно сохранить хотя бы в виртуальной реальности.

Отражения манят. Возможность создания цифровых двойников меняет мышление людей, вносит коррективы в академические дисциплины и профессиональные знания. Их можно выстраивать не только по отношению к объектам, местности и событиям, но и к живым существам. Некоторые из наиболее значимых с научной точки зрения проектов инициированы областью здравоохранения. И это может спасти вам жизнь.

На западной окраине Барселоны, рядом с апельсиновой рощей и прудом, населенным утками и гусями, стоит католическая часовня из розового песчаника, построенная в 1940-е годы. Эта часовня, в которой уже нет прихожан, в начале 2000-х стала местом создания одного их самых мощных суперкомпьютеров в мире. Первая версия MareNostrum была запущена в 2004 году и могла выполнять более 42 триллионов вычислений в секунду. Каждые несколько лет он подвергается обновлению и сегодня уже выполняет 11 квадриллионов вычислений в секунду. Этот компьютер использовали для сложных математических исследований взрывающихся звезд, составления карт океанических течений и разработки потенциальных вакцин от СПИДа, создания климатических прогнозов и оценки вреда атмосферной пыли для легких.

В последнее время часть работы MareNostrum была посвящена созданию цифровых двойников. В 2018 году группа ученых из BSC основала дочернюю компанию под названием ELEM Biotech. Слоган компании — «Фабрика виртуальных людей», а ее конечная миссия — создание высокоразвитых цифровых людей, которых можно использовать для медицинских экспериментов. «Цифровые люди — это математические модели, — говорит Мариано Васкес, ученый-компьютерщик и соучредитель ELEM. — Мы ищем математические корни реальности. Мы делаем это с погодой, со сверхновыми звездами и образованием галактик, с вулканами. Почему бы не сделать то же самое с человеком?»

В январе я приехал в Барселону, чтобы навестить Васкеса в офисе BSC, современном здании, похожем на гигантский интернет-маршрутизатор. Офис соединен надземным переходом с соседней часовней. Дорожка задумана как тонкая оптическая иллюзия, по мере движения вперед она становится все уже. В конце — толстая бронированная дверь, которая ведет в часовню. Ее каменные своды и витражи со светящимися ангелами, читающими свитки, совершенно отличаются от белых стен, белых потолков, белых лам и колонн BSC. С верхнего этажа мы смотрим вниз, в неф MareNostrum. Он помещен в стеклянную камеру размером с половину баскетбольной площадки. Внутри располагаются ряды безупречных черных блоков, мерцающие зеленые огни придают компьютеру ощущение одушевленности. Более 4000 кабелей — желтых, красных, зеленых, синих, голубых — тянутся между стойками и спускаются в пол.

Васкес родился и вырос в Буэнос-Айресе. Он изучал инженерию в области аэронавтики и публиковал исследования в самых разных областях — от сверхзвуковых самолетов до потоков воды вокруг китов. В 2000-х он начал уделять особое внимание биомедицине. Он считает, что математика — это всего лишь способ описания природы. Для воздуха вокруг самолета и циркулирования крови в нашем теле можно использовать одни и те же уравнения.

Васкес рассказал мне историю ELEM. Сначала была задумка создать сложную и гиперреалистичную компьютерную симуляцию человеческого сердца. Это потребовало большого количества исследований: от электромеханики, определяющей сердцебиение, до динамики жидкости — кровотока. Потом было выстроено сотрудничество с местной больницей, чтобы собрать как можно больше данных о сердце. Всем, кто работал в компании, сканировали этот важный орган. В конце концов появилась очень реалистичная средняя модель, которую можно было настраивать на основе индивидуальных параметров, чтобы создать целый ряд виртуальных сердец разных размеров, форм, возрастов и состояний здоровья, которые соответствовали бы реальным людям. Используя эти виртуальные сердца, ELEM смогла провести клинические испытания, которые раньше всегда проводились на живых организмах, внутри суперкомпьютера.

Фармацевтические продукты обычно тестируются на мышах, затем на собаках, затем на свиньях. «Переходя от собаки к свинье, вы внезапно понимаете, что ваш метод не работает, а миллионы уже потрачены. И это не считая всех этических проблем, связанных с экспериментами над животными», — говорит Васкес. Он не преувеличивает. Чтобы вывести на рынок лекарство, нужно 12-15 лет и 2,5 млрд долларов. 90% клинических испытаний лекарств терпят неудачу. Более 100 миллионов животных ежегодно гибнут в лабораториях, пока люди решают свои медицинские проблемы. Исследования в области здравоохранения идут медленно, оставляя длинный кровавый след. Васкес и его коллеги разработали математический инструмент, позволяющий проверять кардиобезопасность лекарств на виртуальных людях. В виртуальном мире для науки нет этических и физических ограничений.

Новая цель компании — создание цифровых двойников сердец конкретных людей. Это путь к виртуальному сердцу, которое могло бы сопровождать вас на протяжении всей жизни и постоянно обновляться с учетом личных медицинских данных. Любые лекарства, методы лечения или устройства (например, кардиостимулятор), могут быть разработаны с учетом вашей уникальной анатомии, а затем протестированы на вашем сердце-близнеце, чтобы оценить эффективность и побочные эффекты. Хирурги, если они вам понадобятся, смогут отрепетировать операцию в безопасной виртуальной зоне.

Биоинженер Хасмин Агуадо-Сьерра согласилась на создание такого сердца в рамках эксперимента. Она прошла МРТ и ЭКГ, собрала данные о своем артериальном давлении со смарт-часов и объединила их со сложной физикой и математикой. Спустя месяц сортировки и тестирования, эта информация была переведена в строки кода, которые отправили в MareNostrum. Суперкомпьютеру потребовалось девять часов для проведения расчетов.

Изучив свое цифровое сердце, Агуадо-Сьерра смогла узнать, что некоторые лекарства, которые она принимала на тот момент, способны вызвать у нее наджелудочковую тахикардию в состоянии покоя или ночью.

Современная медицина имеет универсальный подход. Назначение лекарств основано на данных о людях, которые могут быть немного похожими на вас (а могут и не быть) и находились в той же ситуации, что и вы (или не находились). Разнообразие типов человеческого тела упрощено до среднестатистических моделей, вот почему методы лечения, которые помогают другим, не обязательно помогут вам. Многие популярные лекарства имеют слабое воздействие на некоторых людей, а кого-то подвергают серьезным побочным эффектам.

Проблемы с сердцем — причина номер один в статистике женской смертности. Но при этом женские сердца остаются слепым пятном современной медицины, так как долгое время сердцечные болезни считались преимущественно мужским недугом. В одном из первых исследований, выявивших связь между холестерином и сердечно-сосудистыми заболеваниями, приняли участие 12 866 мужчин и ни одной женщины. В исследовании, определившем преимущества аспирина в снижении риска сердечного приступа, принял участие 22 071 мужчина и ни одной женщины. И это происходило во второй половине 20 века. Современные исследования нацелены на то, чтобы исправить этот разрыв, но и сегодня женщины на 50% чаще, чем мужчины, получают неправильный диагноз сердечного приступа. У них худшие результаты, чем у мужчин, при операциях на сердце. В медицине уже давно существует мнение, что женщины — это, по сути, просто «уменьшенные версии» мужчин, и поэтому лекарства, которые действуют на мужчин, будут работать и на женщинах, только в меньших дозах. Но когда дело доходит до рецептурных препаратов, женщины на 50-75% чаще испытывают побочные реакции, чем мужчины.

Мечта о цифровом двойнике — это мечта о персонализированной и прогнозируемой форме здравоохранения, построенной на физиологии и патологии конкретного человека.

«Идея виртуального человека исходит из предпосылки, что современная медицина на самом деле не так уж и современна с научной точки зрения», — объясняет Питер Ковени, ученый-компьютерщик и соавтор книги «Виртуальный ты» (2023). Ковени работал над проектом по созданию цифрового двойника системы кровообращения длиной 60 000 миль умершей южнокорейской женщины по имени Юн Сун, которая пожертвовала свое тело науке. Составители карты сосудов создали цифровую симуляцию того, как текла кровь, введя 200 000 строк кода в суперкомпьютер.

Ковени и его соавтор Роджер Хайфилд в своей книге подробно описали попытки создания цифровых двойников печени, легких, костей, кишок, мозга и многого другого. В последней главе они предполагают, что ученые создадут «пожизненный персонализированный клон, который будет стареть так же, как вы».

Модели всегда были жизненно важными инструментами для создания представлений о физических объектах, явлениях, процессах и системах, для более глубокого понимания окружающего нас мира. Наука – это практика создания моделей, а история наполнена копиями и изображениями, миниатюрами и прототипами. В современном мире модели уступили место компьютерному моделированию, а физические объекты, на которые мы полагались на протяжении веков, были узурпированы виртуальными. «Молекулярная модель, построенная из шариков и палочек, уступает место анимированному миру, которым можно управлять одним прикосновением, вращать и переворачивать, — написала Шерри Тёркл, социолог из Массачусетского технологического института. — Картонная модель архитектора становится фотореалистичной виртуальной реальностью, сквозь которую можно «пролететь»».

Симуляция обладает завораживающей привлекательностью. Историк Питер Галисон взял интервью у физика, работавшего над первой водородной бомбой, и признал, что ему невыносимо смотреть на аппаратную часть самой бомбы или на реальные взрывы, которые она создавала, но он тщательно работал над ее компьютерным моделированием. «Альтернативный мир симуляций, даже на заре своего существования, обладал достаточной структурой, чтобы увлечь практиков», — написал Галисон в статье 2011 года.

В этимологии цифрового двойника есть что-то от лжи. В словах «модель» и «симуляция» содержится нескрываемый намек на то, что они призваны только давать представление. Модель происходит от латинского слова «modulus», что означает «мера». Симуляция происходит от латинского слова «simulo», что означает «подражать». Но слово «близнец» (по-английски twin) происходит от англосаксонского слова «getwinne», что означает «двойной». Это вызывает в памяти многовековой культурный багаж, где близнецы связаны между собой телепатически.

«Модели обычно понимаются как абстракция реальности, но сильный акцент на реализм […] предполагает, что цифровой двойник стремится выйти за рамки абстракции и представлять все функциональные возможности конкретного физического объекта, а в некоторых случаях даже предполагается своего рода гиперреализм», — написала философ Паулан Коренхоф в статье 2021 года.

Коренхоф размышляла над тем, как цифровые двойники объектов, мест и процессов могут изменить наши отношения с физической реальностью. В статье она приводит в пример молочного фермера, который может отслеживать и контролировать производство молока с помощью цифрового двойника. Больше не требуется постоянно находиться рядом с молочной фермой, все взаимоотношения сводятся к периодической «проверке», чтобы убедиться, что двойник работает правильно. Человек словно выпадает из общей картины происходящего. Могут ли цифровые двойники стать еще одной технологией, которая усиливает странное и смутное чувство отчуждения, которое мы испытываем — от мира природы, от других, от самих себя — от всего, что раньше казалось близким? А что, если это отчуждение начнет пронизывать наши отношения с собственным телом?

Когда новые технологии становятся вездесущими, мы часто отказываемся от ответственности за проблемы, которые они чудесным образом решают. Наша близость к смартфонам привела к ощущению, известному как «цифровая амнезия»; зависимость от GPS-приложений способствовала недостатку географических знаний. Если бы наше здоровье постоянно контролировалось в режиме реального времени близнецом, который информировал бы нас о любых признаках предстоящего заболевания или травмы, как бы это могло нарушить нашу интероцепцию — внутреннее ощущение телесных функций?

Возможно, отчуждения от тела и не произойдет, скорее наоборот. Многие люди, которые постоянно записывают частоту сердечных сокращений и артериальное давление с помощью смарт-часов, не лишились ощущения тела. На самом деле, они еще больше стали им одержимы.

Но и без этого вопросов к цифровому двойнику предостаточно. Если он сообщит, что вы находитесь на грани сердечно-сосудистого заболевания или имеете высокий риск болезни Альцгеймера, что вы будете делать? Будет ли это означать, что вы уже больны? Пойдете ли вы завтра на работу? Если цифровой двойник предсказывает предстоящее ухудшение здоровья, а вы успеваете его отменить корректировкой образа жизни, как узнать, прав или неправ был близнец? Как укрепить веру в его предсказания? Или стоит беспокоиться не о вере, а о подозрениях?

Насколько доступной будет эта технология? Нетрудно предвидеть будущее, в котором персонализированное здравоохранение станет прерогативой богатых. Не случится ли так, что миллиардеры оцифруют свои тела с помощью суперкомпьютеров, а все остальные будут довольствоваться разваливающейся системой здравоохранения.

Маттиас Браун, профессор этики и технологий Боннского университета, возглавляющий финансируемый Европейским исследовательским советом проект по этике цифровых двойников, говорит о том, что, хотя потенциальных недостатков много, цифровые двойники могут удивительным образом способствовать процветанию человечества. «Когда мы беседуем с людьми с ограниченными возможностями о цифровых двойниках, они заявляют, что было бы здорово иметь инструмент, который позволил бы им знать, когда у них может возникнуть обострение. Например, деменция часто развивается поэтапно. Если бы я мог знать, когда у меня наступит тяжелая фаза, я мог бы запланировать прием лекарств, чтобы дольше быть со своей семьей, разговаривать с ними, помнить, кто они такие. Это могло бы изменить не одну жизнь».

На первом этаже здания BSC находится отдел наук о Земле, сотрудники которого работают над проектом под названием «Destination Earth». Целью проекта является создание цифрового двойника всего мира. «Полная копия Земли», говорится на веб-сайте проекта, появится в сети к 2030 году и будет направлена на создание «симуляций, неотличимых от реальности». Поскольку экстремальные погодные условия становятся все более частыми, а климатический кризис более выраженным, цифровой двойник может «прогнозировать эти события с еще большей точностью, чтобы предсказать их влияние на окружающую среду».

Когда я покинул BSC, я пошел по широким бульварам и узким переулкам к магазину подержанных книг. После нескольких месяцев исследований и разговоров о цифровых двойниках и зеркальных мирах меня стал преследовать рассказ Хорхе Луиса Борхеса, название которого я не мог вспомнить. Борхес испытывал очарование отраженного образа. В детстве ему снились кошмарные сны, в которых он обнаруживал, что его лицо было маской. Он так боялся своего отражения, что избегал даже полированной мебели. Этот ужас сделал его одержимым двойниками, репродукциями, копиями, факсимиле, переводами — всем, что действительно могло подорвать уникальность предмета или человека посредством его повторения.

В магазине я обнаружил нужную мне книгу — «Алеф». Я купил ее, сел возле ближайшего бара и начал читать. В рассказе Борхеса знакомый героя (которого тоже зовут Борхес) обнаруживает в своем подвале шар — «Алеф», как он его называет, — в который он может заглянуть и увидеть все существующее одновременно. Думая, что этот человек сумасшедший, Борхес следует за ним в подвал и находит «маленькую переливающуюся сферу почти невыносимого блеска». Борхес заглядывает внутрь и видит одновременно не только улицы, дома, моря, предметы, но и такие вещи, как каждую букву на каждой странице каждой книги, всех муравьев земли, останки всех людей, циркуляцию собственной крови. «Видел Алеф, видел со всех точек в Алефе земной шар, и в земном шаре опять Алеф, и в Алефе земной шар, видел свое лицо и свои внутренности, видел твое лицо; потом у меня закружилась голова, и я заплакал, потому что глаза мои увидели это таинственное, предполагаемое нечто, чьим именем завладели люди, хотя ни один человек его не видел: непостижимую вселенную».

Источник