Людям, как биологическому виду, у которого есть конечности, в результате несчастных случаев, катаклизмов, болезней и прочих жизненных ситуаций, к сожалению, иногда свойственно их терять. И, в отличие от некоторых животных, нам повезло меньше. Например, тритонов и ящериц природа одарила регенерацией потерянных частей тела, а вот человека (впрочем, как и большинство других видов) оставила наедине с собой в таких ситуациях. Но поскольку человек обладает интеллектом, а цивилизация следует по технологическому пути, то еще с древних времен утраченные конечности научились заменять протезами.
На нынешней стадии развития технического прогресса и научных достижений люди с физическими недостатками имеют большой выбор различных возможностей и ассортимент продукции протезной индустрии, а также полный ассортимент различного адаптивного оборудования. Сейчас в сфере протезирования, в основном благодаря развитию ИТ и синергии индустрий, наблюдается всплеск новых разработок и достижений. Основная цель, которую пытаются достичь ученые и инженеры всего мира — воплотить в искусственном изделии все функции живой руки или ноги.
Впрочем, все бионические устройства разных фирм, институтов и центров пока что не сильно похожи на свои естественные прототипы. Помимо прочих сложностей, основной элемент, которого не хватает всем разработкам – это похожая на настоящую кожа для наружного покрытия. Впрочем, вполне вероятно, что в скором времени эта проблема будет решена путем изготовления полноценной искусственной кожи – сейчас уже проводятся эксперименты по соединению в единое работающее целое нервной ткани и электронных устройств.
Практически до конца 20-го века все изобретения в области протезирования были механического характера, в некоторых случаях сгибание регулировалось вручную. Основными проблемами протезов тех времен (да и, собственно, разработанных ранее конструкций, применяющихся во многих случаях до сих пор) были отсутствие какой-либо связи с организмом, негибкость и недолговечность. Протезы, которые заменяли руку или ногу, не могли функционировать, как полноценный их прототип – это всего лишь суррогат, заменяющий активные части тела, но неспособный приблизиться по возможностям к естественному аналогу. Это и есть главный минус протезов – их «внешний» характер и низкая функциональность. Все, что остается делать их обладателю, это использовать их как элемент гардероба, который со временем изнашивается и становится непригодным к дальнейшей эксплуатации.
Не столь давно в сфере протезирования появилось такое направление, как "биомехатроника", которое представляет собой соединение робототехники и нервных клеток человека. Задачей научных исследований в этом направлении является разработка искусственных конечностей, которыми можно будет управлять лишь силой мысли, а функциональность будет повторять оную у заменяемой конечности человека с максимальной точностью. Кроме создания роботизированных протезов, способных «вести диалог» с нервной системой, важным направлением является остеоинтеграция, то есть сращивание искусственного модуля и кости, что позволит обойтись без гильзы протеза. Эксперименты по сращиванию титановых имплантатов с кожей, мышцами и костной тканью проводятся регулярно, а некоторые компании (в частности, немецкая ESKA Implants с их технологией Endo-Exo) уже представили серийные разработки. Исходя из нынешнего уровня развития технологий, уже в скором времени человек, потерявший конечность, сможет почувствовать себя отчасти киборгом…
Протезы ног
Согласно статистическим данным, наиболее часто люди теряют ноги. В нынешнее время современные протезы ног стали достаточно сложными и на потребительском рынке давно присутствуют, хотя и не слишком доступны с финансовой точки зрения, модели со встроенными микропроцессорами, которые можно программировать для более естественной ходьбы и других движений. Если не касаться вопроса изготовления культеприемной гильзы (в этой области тоже есть свои достижения, вроде применения углеволокна и прочих композитных материалов, но собственно “высоких технологий” немного), то протез ноги состоит из двух ключевых элементов, на улучшение которых и направлены усилия разработчиков — коленного модуля и стопы.
Наиболее распространенными в реальной эксплуатации являются коленные модули C-Leg германской фирмы Otto Bock и Rheo Knee исландской компании Ossur. Эти протезы используют гидравлический привод с электромоторами, управляющие микропроцессоры, соответствующее программное обеспечение и батарею, питающую все компоненты протеза.
Коленный модуль C-Leg фирмы Otto Bock – самый известный широкой общественности продукт, чье название (сокращенное от «Computer Leg») иногда даже используется, как нарицательное, так как присутствует на рынке аж с 1997 года. Функционально он существенно отличается от традиционных механических протезов, обеспечивая значительную гибкость в эксплуатации. В частности, C-leg имеет три режима работы, переключение между которыми происходит с помощью пульта дистанционного управления. В моменты отдыха модуль может принимать вес с отклонением от 7 до 70 градусов. Управление алгоритмом гидравлической системы реализуется с помощью микропроцессора, 50 раз за минуту обрабатывающего входящую информацию от сенсора давления и изменяет параметры работы. По сообщениям на сайте производителя, пользователи C-Leg не только не задумываются о том, куда и как поставить искусственную ногу при ходьбе (и способны передвигаться со средней «прогулочной» скоростью здорового человека), но даже катаются на велосипедах. Впрочем, согласно другим отзывам, сам по себе C-leg, как и аналоги, способен помочь в первую очередь тем пользователям, которые уже хорошо освоили ходьбу на обычном протезе – то есть, использование C-leg не обязательно «творит чудеса».
.jpg)
Интеллектуальный электронный коленный шарнир Rheo Knee является совместной разработкой исландской компании Ossur и Массачусетского технологического института и появился в продаже в 2006 году. Сложная сеть датчиков, интегрированная в модуль, регистрирует изменения и позволяет искусственной ноге «на ходу» вносить коррективы в свою работу. Микропроцессор контролирует параметры ходьбы при каждом шаге, фиксирует нагрузку и положение со скоростью 1000 раз в секунду во время фазы стояния и затем в соотвествии с этим регулирует сопротивление движения в коленном шарнире путём нагнетания или откачивания из искуственного коленного сустава намагниченной жидкости.
В повседневной жизни для людей создается масса вещей, чья практическая полезность не столь важна, как дизайн. Поскольку для инвалидов таких проектов изобретается не так уж много, то стоит более подробно отметить и наработки в этом ключе: продукты, создатели которых позаботились и об определенной эстетике протеза.
.jpg)
Например, фирма TAG Heuer отличилась демонстрацией протеза в стиле хай-тек, автором которого является корейский дизайнер Гу Хо Син. При его производстве использовались материалы высшего качества: коленный модуль выполнен из углеродного волокна с применением также стали и титана. Стопа имеет противоскользящее резиновое покрытие, это позволяет использовать протез вообще без обуви, что очень удобно.
Еще один пример того, что можно назвать «модным протезом ноги» — концепт Nike Air Jordan, выполненный в духе марки спортивной обуви Nike. К сожалению, при всей привлекательности, это всего лишь виртуальный продукт, идею которого предложил дизайнер Колин Матско.
Другой подобный концептуальный дизайн разработала Джоанна Хоули – как и в предыдущем случае, задача стояла создать эстетически привлекательный внешний вид искусственной конечности, с применением современных материалов, но без попытки замаскировать результат под настоящую ногу.
Как ни странно может показаться, но наиболее сложной частью ноги для воспроизведения по функциональности является ступня. В основе современного протезирования ступней лежит сложная гидравлика, имитирующая основные положения, которые принимает стопа при ходьбе, стоянии, поворотах и даже танцевальных движениях.
Группа ученых-иследователей из Массачусетского технологического института и университета Брауна представила на всеобщее обозрение самую первую роботизированную ступню. Данная модель способна двигаться, используя сухожилиеподобную пружину и электрический двигатель.
Не столь давно студентом Мичиганского Университета (сейчас является ассоциированным научным сотрудником Технологического Университета Делфта (Нидерланды) был разработан протез ступни, экономящий силу при ходьбе. Этот протез отличается от других традиционных конструкций тем, что он более легкий и комфортный в эксплуатации, а от современных биомеханических протезов — отсутствием внешнего источника питания и каких-либо силовых приводов.
А первым в мире интеллектуальным протезом ступни, поступившим в розничную продажу, стал Proprio Foot — протез который способен "думать и действовать сам". Официальными разработчиками данного протеза являются компания из Исландии Össur и канадская фирма Dynastream Innovations. Стоимость Proprio Foot составляет примерно $9000. Данный протез способен на промежутке 15 шагов вычислить особенности походки и нагрузку его владельца, максимально точно запомнить «стиль хозяина» и в дальнейшем подстраиваться под него. Основное отличие данного протеза от других в том, что его разработчики не делали ставку на датчики, которые считывают сигналы мозга, а сконструировали удачный компьютер, отслеживающий фактические движения тела и предсказывающий дальнейшее поведение.
Протезы рук
Протезирование рук возможно с помощью двух принципиальных типов устройств: механических и биоэлектрических. Механические — протезы, как правило, максимально приближенные к внешнему виду руки, что позволяет человеку не выделяться из толпы. В некоторых случаях протез способен к захвату и удерживанию предметов с помощью бандажей, которые закрепляются к плечу, а при потребности кисть может заменяться на крюк (конечно, не такой, как в фильмах про пиратов, а более функциональный).
Несмотря на то, что механические протезы существуют уже не одно столетие, предел их функциональности, похоже, давно достигнут. Поэтому дальнейшее развитие связано с биоэлектрическими протезами. Такие механизмы имеют в своей конструкции электроды, считывающие ток, вырабатываемый мускулами при их сокращении. Затем эти данные передаются на микропроцессор, который посредством команд моторам приводит протез в действие. Протез выполняет функции вращения кистью, захвата и удержания предметов. При этом биоэлектрический протез позволяет пользоваться такими миниатюрными вещами, как шариковая ручка, ложка, вилка и т.д.
Протез руки i-LIMB Hand, созданный компанией Touch Bionics, является последним достижением в кибермедицине. Управление им осуществляется интуитивной системой, в основе которой лежит миоэлектрическая технология – сенсор в виде металлической пластинки, соприкасающейся с кожей, улавливает нервные импульсы от мышц. Благодаря встроенным миниатюрным электромоторам I-Limb способен имитировать множество функций, присущих человеческой руке.
В своих продуктах Touch Bionics не обделила и тех пользователей, которые не желают скрывать искусственную сущность конечности и выглядеть подобно Терминатору. Специально для таких желающих был разработан вариант протеза в «прозрачной упаковке», через которую видна вся начинка устройства. Спрос на такое исполнение обеспечивают, в основном, мужчины, причем в первую очередь – военные. В то же время и косметическое покрытие i-Limb впечатляет: попробуйте угадать по фото, какая из рук – искусственная.
В области технологии создания искуственных рук трудно не отметить и сверхсовременный протез Luke Arm, созданный Майклом Голдфарбом из Университета Вандербильта и компанией Deka Research. О нем можно почти буквально сказать: «Не протез, а бомба», так как в качестве привода для него используется компактный однокомпонентный … ракетный двигатель, аналогичный по конструкции ранее использовавшимся на космических шаттлах. В качестве топлива применяется перекись водорода: под воздействием катализатора топливо нагревается и выделяющийся в процессе пар открывает и закрывает клапаны, которые соединены с суставами протеза. Вся эта конструкция заменяет аккумуляторы и электромоторы. Название же Luke Arm было дано в честь Люка Скайуокера из «Звездных войн» (как известно, по сюжету Люк теряет руку в одном из фильмов серии).
С точки зрения научно-технологического уровня бионической руке Luke Arm не уступает SmartHand, разработанный группой ученых из шести стран (Швеция, Дания, Италия, Исландия, Ирландия, Израиль). Как и в большинстве других конструкций, для управления SmartHand используются нервные окончаний в культе ампутированной руки. Однако, данный протез уникален тем, что способен имитировать не только движения руки человека, но и воспроизводить ощущения от прикосновения к обьекту. Все это реализуется с помощью четырех электродвигателей и 40 датчиков, которые активируются при прикосновенни искуственными пальцами к обьекту. Первая операция, позволившая пациенту не только пользоваться данным протезом, но и чувствовать кончиками пальцев, была проведена в 2009 году в Тель-Авивском университе.
Судя по всему, британских ученых на создание конструкции протеза также натолкнул фильм «Звездные войны». Они разработали технологию прикрепления к человеческому скелету металлических протезов (пальцы, руки, ноги). При этом им удалось срастить металлические структуры с живой материей с помощью специально выращенных человеческих тканей. Годовые испытания на людях-добровольцах показали, что протез данного вида хорошо приживается, не отторгается организмом, а очевидным преимуществом является то, что его не нужно снимать и он не нуждается в гильзе, таким образом будучи гораздо лучше связан с телом.
Одной из последних разработок стал миоэлектрический протез руки BeBionic, который способен вращаться на 135 градусов и производить сгибание до 35 градусов. Как и у большинства современных протезов, возможности BeBionic максимально приближаются к естественным движением руки человека. Управление осуществляется микропроцессором, преобразующим в команды для электродвигателя сигналы от датчиков, распознающих движения сохранившихся мышц культи. Еще один плюс BeBionic — специальное программное обеспечение позволяет осуществлять различные виды захватов предметов и регулировать степень сжатия пальцев.
Создатели роботизированных протезов конечностей, иногда задумываются и о дизайне продукции, который радикально ломает стереотипы. Как и прочие, этот концептуальный протез “Immaculate” авторства дизайнера Ганса Александра Хусклеппа (Hans Alexander Huseklepp) непосредственно связан с нервной системой пользователя. Суставы построены так, чтобы обеспечить максимальную степень свободы — шарнирные элементы позволяют с легкостью осуществлять движения даже в более широких пределах, чем здоровая рука. Но в первую очередь “Immaculate” выделяется достаточно странным видом и позиционируется скорее, как аксессуар для людей, которые хотят выделиться и не скрывают факт потери конечности. Определенная логика в этом есть, ведь, например, очки, также выполняя реабилитационную функцию и будучи весьма заметными (и тем самым очевидно информируя окружающих, что у их хозяина плохое зрение), при этом стараются сделать внешне максимально эстетичными и подходящими к стилю владельца. В таком случае и протез конечности вполне может стать «аксессуаром», раз уж его наличие необходимо.
В качестве отдельного примера, пожалуй, наивысшего достижения на сегодняшний день — один из самых дорогих протезов мира. Это бионический протез руки, стоимость которого составляет порядка 6 миллионов долларов. Владелец данного протеза при его использовании может вращать им на 360 градусов, поворачивать кисть, а также ощущать прикосновения, кончиками пальцев различать структуру поверхности и даже температуру объекта. Все это достигается с помощью нейроинтерфейса — этот метод дает значительно большую полноту ощущений и возможностей управления в сравнении с использованием датчиков в более доступных миоэлектрических протезах. Авторы проекта – лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса, а финансирование поступает от небезывестного агенства DARPA, научного подразделения Пентагона.
Технологии улучшают качество жизни
Много кто из нас смотрит фантастические фильмы, в которых оживляют мертвых, внедряют в организм инородные тела, восстанавливают конечности — и стоит признать, что все это начинает обретать реальные черты, уже на нынешнем этапе развития цивилизации мы приближаемся к реализации того, что еще недавно казалось просто авторским воображением писателя или сценариста.
Являясь непосредственным потребителем продукции данного направления, я могу сказать с уверенностью, что при наличии протезов описанного технологического уровня, можно практически забыть о своих недостатках; о том, чего уже нет… Более того, во многих случаях, используя протезы нового поколения, человек сможет получить даже более обширные возможности, нежели от своей естественной руки или ноги. Минус только в том, что приобрести их (как минимум на раннем этапе внедрения) могут только избранные, ведь далеко не каждый смертный может так просто оплатить подобное устройство. Скажем, с ценой в $10000 за стопу еще можно смириться, а вот протез руки со стоимостью, начинающейся от $100000, заставит задуматься о том, где найти на него средства, не только жителей развивающихся стран.
Проанализировав новые разработки в сфере производства протезов и узнав о том, какие буквально чудо-протезы уже создали ученые и инженеры из разных стран, можно сделать заключение, что человек уже не так и далек от киборгов из научной фантастики: недостает “деталей” в организме – достроим, а если еще “вставить в мозги электроды” – то будет даже лучше прежнего. По результатам социологического опроса в Германии, проведённого немецкой ассоциацией IT-компаний BITKOM, выяснилось, что каждый четвертый немец согласен на то, чтобы ему в организм внедрили микрочип (часть опрошенных готова пойти на такое, в случае, если внедренный чип помимо всего будет еще нести и информацию о здоровье и личных данных человека).
В свою очередь, с каждым новым достижением в этой отрасли, люди, лишившиеся конечностей, обретают новую надежду на возвращение к нормальной жизни. Жаль только, что пока большая часть этих изобретений существуют только в виде лабораторных образцов, а если и за пределами научных институтов, то далеко не всем по карману. Так что пока всё, что остается – это надеяться на то, что когда продукция нового поколения поступит в более массовое производство, то и цена не будет такой сногсшибательной. Ведь если рассмотреть вопрос ближе, то, по большому счету, комплектующие даже самого технологичного протеза не слишком дорогие, их себестоимость находится в пределах пары тысяч долларов – а заявленную высокую цену определяет в первую очередь интеллектуальная собственность: не каждому дано все это разработать, соединить вместе и «дать жизнь» искусственной конечности, близкой по функциональности к заменяемому органу.