I nästan 20 år, människor har upprätthållit en kontinuerlig närvaro bortom jorden. Den internationella rymdstationen har skapat en livsmiljö där människor kan leva och arbeta under långa tidsperioder. Än, trots att ha etablerat en permanent bas för livet i rymden, terra firma är alltid inom räckhåll – inom 254 miles, för att vara exakt. Om en besättningsmedlem skulle bli allvarligt sjuk, han eller hon kan göra återresan tillbaka till jorden inom några timmar.

"Så fort du vågar dig bortom låg omloppsbana om jorden, att åka till Mars eller ännu längre, att rädda ut är inte längre ett alternativ, säger Wolfgang Fink, docent och Keonjian Endowed Chair vid UA:s College of Engineering. "Du är ensam."

Fink förutspår att inom en inte alltför lång framtid, människor kommer att arbeta sida vid sida med robotmaskiner, icke-mänsklig intelligens och smarta enheter på sätt som aldrig tidigare skådats. Mänsklig logik och tänkande kommer att förenas av, och kompletteras med, artificiella hjärnor och resonemangsalgoritmer.

För första gången i historien, Fink säger, vi har nått en nivå där snart gränserna mellan vad som anses "mänskligt" och vad som anses "konstgjort" börjar suddas ut.

När det inte finns någon återvändo

Ett bemannat uppdrag till Mars, som innebär en utresa på minst ett år, kan bara lyckas om inga vitala delar av systemet går sönder och inte kan repareras, inklusive de som är gjorda av kött och blod. Att förutse systemfel och åtgärda dem innan de inträffar blir av största vikt. När inga läkare är i närheten, inte bara måste besättningen vara autonom, sjukvården gör, för.

"Nyckeln här är prognostik och hälsoledning, ett koncept som börjar passera från teknikens område, speciellt inom flygindustrin där det har använts i decennier, in i människors hälsa, säger Fink, som nyligen utsågs till fellow i Arizona Center for Accelerated Biomedical Innovation, eller ACABI, och som leder ett partnerskap mellan industri och universitet, Centrum för informatik och telehälsa i medicin, eller InTelMed, vid UA.

Till exempel, många delar av ett modernt flygplan är anslutna till ett datanätverk, även Wi-Fi, och tillhandahålla kontinuerliga statusuppdateringar utan tillsyn från besättningen. Detta gör det möjligt för underhållspersonal att förutse funktionsfel innan de inträffar och möta planet vid ankomst med rätt delar och verktyg som behövs för att åtgärda problemet.

Oavsett om det handlar om att hålla flygplan igång eller att upprätthålla människors hälsa under ett djupt rymduppdrag, tanken är densamma, Fink säger:"Istället för att försöka behandla personen när de är sjuka, du övervakar hela tiden deras hälsostatus för att förutsäga och åtgärda eventuella problem innan de uppstår."

Delvis finansierat av National Science Foundation, InTelMed har som mål att ta fram biofeedback-kontrollerade bärbara sensorteknologier och sjukvårdsdataströmningsmöjligheter, parat med molnbaserad intelligent dataanalys, att skapa autonoma system som kan övervaka individers hälsotillstånd oberoende av vårdgivare i köttet.

Ett av Finks projekt illustrerar hur detta tillvägagångssätt kan se ut inom en mycket nära framtid. Med ett anslag från National Science Foundation, hans team skapade ett sätt att förvandla en smartphone till en ögonundersökningsenhet. Teknologin, som kan visa sig vara livsförändrande, särskilt i avlägsna, underbetjänade områden i världen, använder bildbehandling och en fjärrkontroll, molnbaserat "expertsystem" – som använder intelligent programvara baserad på sjukdomsmodeller för att föreslå diagnoser ungefär som en mänsklig medicinsk expert – för att snabbt identifiera patienter som riskerar att förlora synen.

Nerför gatan, Fink säger, det är lätt att föreställa sig aktivitetsspårningsliknande enheter med förmågan att inte bara övervaka utan även ingripa.

"Sensorer länkar automatiskt sina data till molnet, där datautvinningsalgoritmer kommer med en prognos, diagnos eller till och med en behandling, " han säger, "till exempel, genom implanterbara enheter som stimulerar vissa delar av hjärnan och utlöser beteendemässiga reaktioner som att dämpa matsuget eller lugna en person. Det är ett slutet system, ungefär som termostaten som styr uppvärmningen och kylningen i ditt hus."

Läkaren på din handled

En forskargrupp ledd av Esther Sternberg och Perry Skeath från UA:s Center for Integrative Medicine, eller UACIM, utvecklar nästa generation av bärbara enheter som kan hålla koll på en persons hälsostatus genom att mäta biomarkörer:särskilda biokemikalier i blod, saliv, urin eller svett som indikerar hur ett kroppssystem fungerar. Efter att ha upptäckt att kortisol, ett stresshormon, utsöndras i svett, forskarna kombinerar expertis inom medicin, kemi, teknik och datahantering för att designa en patchsensor för att övervaka stress och många andra biomarkörmolekyler.

Kombinerat med andra sensorer som håller koll på andra vitals som puls, blodtrycks- och svettsvar, sådan teknik kan i princip, utvecklas ytterligare för att säkerställa långsiktig hälsa för astronauter på djupa rymduppdrag. Självklart, möjligheter finns i överflöd för jordiska tillämpningar, också, som övervakning av patienter som löper risk att drabbas av stroke eller hjärtinfarkt.

"De enheter vi utvecklar är i grunden mikrokemilabb, så att de kan användas för många applikationer, säger Skeath, biträdande forskningschef vid UACIM och biträdande professor vid UA College of Medicine – Tucson. "Den knepiga delen är att skräddarsy sensorsviten för uppgiften, oavsett om det är en astronaut som ska till Mars eller en soldat på slagfältet."

Medan en bärbar, kortisolmätanordning skulle potentiellt kunna mäta stress i realtid, den data den genererar kan vara tvetydig eftersom andra, icke-stressrelaterade faktorer spelar in och förändrar läsningen. Det är viktigt att forskarna först har en solid förståelse för vad som exakt utgör stress och definierar en exakt uppsättning åtgärder som fångar det tillståndet.

För att studera detta, teamet har inrättat ett labb dedikerat till att spåra olika fysiologiska och molekylära svar på stressutmaningar hos frivilliga.

"Vi utsätter dem för kontrollerade stressutmaningar samtidigt som vi utför en mängd mätningar, säger Sternberg, forskningschef vid UACIM och professor vid College of Medicine – Tucson. "Då tittar vi på vad den minimala uppsättningen mätningar är som fångar tillståndet."

När forskarna väl vet att de måste göra varje mätning tillförlitlig och korrekt, så att uppsättningen av biomarkörändringar kommer att nollställa den specifika utmaningen snarare än att ge en läsning som drivs av orelaterade faktorer.

"Till exempel, när vi tittar på kortisol i svett, vi måste ställa viktiga frågor om den inblandade fysiologin, "Säger Skeath. "Förbryts kortisol med tiden? Späder andra ämnen ut det? Förlorar vi det innan det kommer från poren till sensorn? När vi har fått svar på dessa frågor, då är det dags för ingenjörerna."

Lär maskiner att förvänta sig det oväntade

När maskiner blir smartare, ansträngningar pågår för att ge dem tillräckligt med självständighet och inlärningsförmåga för att fungera utan mänsklig tillsyn. Sådana robotar skulle kunna arbeta i miljöer som är för farliga för människor att ge sig in i – till exempel, naturkatastrofzoner som det tsunamidrabbade kärnkraftverket i Fukushima, Japan, eller utom räckhåll för jordbaserade uppdragskontrollcenter.

I hans Visual and Autonomous Exploration Systems Research Laboratory, Fink och hans team arbetar med att bygga en robotgeolog. Till skillnad från traditionella planetariska uppdrag som fokuserar på, säga, en rymdfarkost som studerar en planetkropp från en hög omloppsbana, eller en rover som analyserar särdrag i landskapet på nära håll, hans koncept med tier-skalbar spaning efterliknar det tillvägagångssätt som en mänsklig upptäcktsresande skulle ta genom att först kartlägga globala egenskaper, sedan sikta in sig på marken i en viss region, och slutligen undersöka intressanta egenskaper på nära håll.

"Istället för att lägga allt smart på ett system, du distribuerar dem mellan flera olika och rumsligt distribuerade system, "Fink förklarar, "och det skapar den redundans och robusthet du behöver för ett kritiskt uppdrag som planetarisk utforskning."

I detta scenario, en orbiter skulle övervaka ett eller flera flygfarkoster som luftskenor eller quadcoptrar som svävar i atmosfären (på planeter som har en), som i sin tur skulle befalla en flotta av miniatyriserade rovers, rikta dem till olika punkter av vetenskapligt intresse. Att ha ett sådant team av konstgjorda forskare som arbetar självständigt på olika nivåer skulle också förbättra den övergripande intelligensen som är inneboende i uppdraget, säger Fink.

"Särskilt för planeter eller månar i det yttre solsystemet, där avståndet till jorden förbjuder kommandon i realtid, du kan låta ett sådant system bedriva sin egen vetenskap, distribuera och omdirigera sina agenter efter behov för att få resultaten, och bestäm vilka som är tillräckligt intressanta för att skickas tillbaka till jorden, " han säger.

I ett skifte bort från nuvarande paradigm, som vanligtvis kretsar kring en mycket sofistikerad robot, den skiktade nyttolasten skulle innebära mindre komplex, billigare och mer förbrukbara enheter, skapa redundans, enligt Fink.

"Om du bara har en rover, du kommer inte att distribuera den till ett område där den kan fastna eller skadas, " han säger, "men om du har flera till ditt förfogande, du kanske vill riskera att offra några, om det skulle hjälpa dig att svara på frågan om det fanns liv på Mars, till exempel."

Eftersom dessa robotutforskare måste fatta beslut på egen hand, de kommer att behöva kognitiva förmågor som hittills har varit unika för människor, som nyfikenhet.

I motsats till artificiell intelligens, eller AI, Finks forskargrupp utvecklar resonemangsalgoritmer som inte är regelbaserade för att lära maskiner att känna igen särdrag i ett landskap som – av en eller annan anledning – en mänsklig utforskare skulle klassificera som "intressant". I Finks labb, en liten flotta av spårbärande rovers fungerar som testplattformar:De lär sig att utforska ett landskap genom att ströva fritt, undvika hinder och uppmärksamma vad som finns framför dem.

"Utrustad med vårt mjukvarupaket Automated Global Feature Analyzer, en orbiter eller luftskepp skulle försöka identifiera anomalier på marken med hjälp av en uppsättning rent matematiska, opartiska algoritmer, " Fink förklarar. "Den skulle sedan överföra den informationen till rovers på marken, så att de kan gå på nära håll. Det skulle inte längre vara människor som tryckte på knapparna."

Det utmanande arbetet är svårt att slå för studenter som Alex Brooks.

"Det som är unikt med att arbeta i Dr Finks labb är att du verkligen får möjlighet att göra mycket av själva arbetet med projekten, " säger Brooks. "Till exempel, på rovers, för autonomidelen, Jag är verkligen den primära utvecklaren för programvaran som hjälper dem att navigera. ... I hans labb, om du visar att du kan hantera avancerat arbete, du kan utforska det."

Från Cyborgs till Superhumans

Man kunde se hur gränserna mellan "mänskliga" och "konstgjorda" börjar suddas ut i en framtid där människor och maskiner gränsar samman och arbetar tillsammans allt närmare, och maskiner utför komplexa uppdrag med minimal eller ingen mänsklig tillsyn.

Ta det blomstrande området bioteknik, speciellt neuroproteser, där implanterbar teknologi används för att förhindra anfall av depression och epileptiska anfall, undertrycka skakningar orsakade av Parkinsons sjukdom, eller återställa hörseln eller synen.

Finks arbete med bildbehandling och neurala stimuleringsalgoritmer har dramatiskt förbättrat prestandan hos det enda FDA-godkända retinala implantatet, och har banat väg för att förbättra sin upplösning så att bäraren har en chans att se mer än bara ansiktsdrag och läsa stora bokstäver.

Att ge tillbaka synen till blinda genom konstgjorda synimplantat eller ersätta strokeskadad hjärnvävnad med biomimetiska enheter är främsta flaggskeppsexempel på ett gränssnitt mellan mänsklig hjärna och maskin. Men man kan se hur det kanske bara tar ett litet steg för att "förbättra" annars friska individer med teknik.

Det kan låta som science fiction-romaner och filmer att gå från system som övervakar astronauternas hälsa, piloter, soldater eller idrottare att skapa någon form av "övermänskliga". Men på ett sätt, det är precis där saker går, enligt Fink.

"Det finns en kritisk etisk gräns som måste beaktas, " säger han. "Var slutar man hjälpa mänskligheten och går in i det övernaturligas rike där inget är fel på en människa, men du försöker gå på toppen av det?

"Var tar människan slut, och maskinen börjar? Ska robotar ha rättigheter? Det är vad vi kommer att stöta på så småningom."