В мае 2016 года 62-летний Крег Пол поднялся на вершину горы Эверест. Три года назад Пол страдал от артрита и не мог даже подняться по лестнице. «Я хочу показать всем, кто сомневается в своих возможностях или чувствует себя старым. Там, где есть воля, есть и победа. Восхождение на Эверест превратилось для меня в эпическое путешествие», - писал Пол в своём блоге. Пол смог стать альпинистом благодаря нескольким сложным операциям и двум искусственным коленным суставам. По прогнозам экспертов , объём рынка имплантов и протезов колен и бёдер достигнет $33 млрд к 2022 году. «Секрет» рассказывает о его развитии.

Бионические протезы

Бионика соединяет биологию и технику, изучает нервную систему и нервные клетки, а также исследует органы чувств человека для создания новых технологических устройств. Одно из главных направлений этой науки - исследования, связанные с созданием протезов и имплантов. Электронные устройства заменяют утраченные органы и конечности, взаимодействуя с нервными клетками. Их производят из искусственных материалов, но человек может управлять ими при помощи собственной нервной системы за счёт метода целевой мышечной реиннервации. Его суть состоит в том, что нервы, которые раньше управляли, например, ампутированной конечностью, соединяют с сохранившимися мышцами и те посылают сигналы на электронные датчики протеза.

После ампутации конечности в организме человека остаются двигательные нервы, их хирурги соединяют с участками крупной мышцы - например, грудной, если речь идёт об ампутированной руке. Когда человек думает, что нужно пошевелить пальцем, мозг отправляет сигнал грудной мышце. Сигнал фиксируется электродами, которые отправляют импульс по проводам в процессор внутри электрической руки к нужному участку. Протез совершает движение.

Чтобы человек мог чувствовать прикосновения, тепло и давление электронной конечностью, хирурги пришивают оставшийся чувствительный нерв к участку кожи на груди, этот метод называется целевой сенсорной реиннервацией. Сенсоры протеза передают сигнал этому участку кожи, а оттуда он поступает в мозг, и пациент может одёрнуть руку, если чувствует, например, высокую температуру. Сейчас компании активно работают над внедрением бионических конечностей. В 2013 году появилась первая бионическая нога, которая полностью контролировалась мозгом.

Бионическое колено

Над созданием бионического колена задумались ещё в 1990-х. Компания Blatchford начала производство микропроцессора для контроля протеза коленного сустава, его выпустили в 1993 году под названием Intelligent Prosthesis. В 1997 году немецкая компания Otto Bock представила микропроцессор искусственного колена C-leg. В 2005 году исландская компания Ossur сделала электронный коленный модуль - Rheo Knee, а спустя год - протез с двигателем Power Knee стоимостью от $60 000 до $80 000.

По статистике, 52,5 млн американцев страдают от болезней суставов. Количество операций по замене колена за последние годы увеличилось втрое среди людей в возрасте от 45 до 64 лет. При этом каждый пятый пациент недоволен результатом. Пациенты часто жалуются на боли и невозможность чувствовать себя так, как с натуральным коленом. Компании - производители протезов постоянно работают над улучшением технологий и стараются устанавливать импланты, которые по ощущениям не отличаются от натурального колена. Канадская компания ConforMIS предлагает напечатать новую коленку на 3D-принтере. Стоимость импланта, созданного таким образом, составит около $4000. Разработанная в компании платформа iFit Image-to-Implant позволяет каждый раз печатать персональные импланты, подходящие конкретному человеку, и внедрять их за 70 минут. Сейчас компания работает над тем, чтобы персонализировать бёдра, плечи и лодыжки - все части тела, которые начинают болеть с возрастом.

Бионические руки и ноги

В 2012 году американец Зак Воутер, которому ампутировали ногу после аварии, при помощи бионического протеза поднялся по лестницам на смотровую площадку чикагского небоскрёба. «Когда Зак хочет сделать движение, мозг посылает вниз по спинному мозгу импульс к неповреждённой мышце. В протезе установлены электроды, которые контролируют эти импульсы. Специальная компьютерная программа декодирует полученные данные и передаёт их протезу для выполнения, будь то сгибание или выпрямление колена, сгибание лодыжки или приём сидячего положения», - объяснял профессор Чикагского университета Леви Харгрув.

Микрокомпьютер протеза собирал данные от 11 электродов, закреплённых на бедре Воутера. Роботизированная нога получала электрические импульсы от нервных волокон, пришитых к подколенному сухожилию американца во время ампутации, - они сохранили способность передавать импульсы в нижнюю часть конечности.

Проекты по созданию технологичных протезов часто поддерживают силовые ведомства разных стран, которым нужно возвращать к нормальной жизни ветеранов военных действий. В 2013 году специалисты Реабилитационного института Чикаго создали первую ногу, напрямую управляемую мозгом. Разработчики привлекли $8 млн от Минобороны США, а в ближайшие пять лет протез будет доступен для тестирования бесплатно. Тестировать бионические протезы могут не только люди с ампутированными конечностями - в 2013 году актёр и писатель Брент Роуз носил искусственную ногу для репортажа на сайте Gizmodo, и ему понравилось. Создатели хотят, чтобы их протез стоил как можно дешевле - около $20 000. В этом году учёные Университета Джона Хопкинса представили протезированную руку, пальцы которой контролируются мозгом, разработка велась при поддержке агентства Минобороны США DARPA.

Канадская компания Spring Loaded Technology, создатель бионического бандажа Levitation для колена, заключила контракт с Министерством национальной обороны Канады на $1 млн на поставку гидравлических наколенников. Устройство будут использовать военные для испытаний в боевых условиях. Позже компания привлекла $1,9 млн в посевном раунде от венчурного фонда Build Ventures. Компания собирается сделать продукт массовым, его смогут покупать спортсмены и любители фитнеса, чтобы защищать колени от травм и лишних нагрузок. В первый день краудфандинговой кампании на Indiegogo Spring Loaded Technology привлекла больше половины нужной суммы из $75 000. Предзаказ коленного бандажа обходился в $1200, в будущем цена поднимется до $2500.

Канадский наколенник можно назвать экзоскелетом - устройством, предназначенным для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц и расширения амплитуды движений. Портал SnapMunk писал в этом году: «Экзоскелеты сделали переход от научной фантастики к осязаемой технологии в военной и промышленной индустрии. Они помогут тем, кто болен параплегией, расстройствами мышц, имеет двигательные нарушения в повседневной жизни».

Наиболее прогрессивный экзоскелет Phoenix разрабатывает компания SuitX. Он будет стоить порядка $40 000, в то время как его конкурент ReWalk стоит $77 000. Phoenix весит 27 фунтов, это один из самых лёгких экзоскелетов. Параметры работы протеза можно установить в приложении для Android.

В прошлом году российская компания «ЭкзоАтлет», которая занимается производством экзоскелетов для людей с параличом нижних конечностей, привлекла 16 млн рублей от фондов Moscow Seed Fund и «Биофонд РВК». Пока компания распространяет бесплатные пилотные версии и планирует, что её экзоскелеты станут значительно дешевле зарубежных аналогов.

Эксперты прогнозируют, что объём рынка роботов для реабилитации, в том числе экзоскелетов, вырастет до $1,1 млрд к 2021 году.

Эксперименты

На конференции Code Conference 2016 предприниматель Илон Маск заявил: «Людям необходимо создать компьютеры, связанные с корой головного мозга. В противном случае мы будем настолько ниже роботов в интеллектуальном плане, что станем их домашними питомцами. Они будут относиться к нам, как сейчас люди относятся к домашней кошке».

Помимо создания протезов и имплантов биотехнологические компании ведут эксперименты по печати органов на 3D-принтере. Уже удалось напечатать сердечные и сосудистые ткани из стволовых клеток взрослых людей в рамках экспериментов. В 2015 году российская компания 3D Bioprinting Solutions напечатала щитовидную железу мыши, которая была успешно имплантирована. Человеческие 3D-органы сейчас всё чаще используют для предварительного планирования сложных хирургических операций. Так, несколько месяцев назад китайские врачи спасли девятимесячного ребёнка благодаря распечатанной заранее модели сердца. Американская Organovo уже производит ткани печени, используемые в качестве образцов для тестирования новых лекарственных препаратов на эффективность, токсичность и побочные эффекты.

Скептики утверждают, что полноценные органы напечатать невозможно, потому что они имеют сложную структуру. Наиболее вероятно воссоздание щитовидной железы, у которой нет сложной системы протоков для выведения продуктов деятельности. Однако и там возникает много вопросов, связанных с тем, как минимизировать риски.

В июне главный учёный в компании Techshot, давний партнёр NASA по части биотехнологий, заявил , что компания готова напечатать сердце со стволовыми клетками к 2024 году. В конце 2015-го Techshot разработала метод производства кровеносных сосудов из собственных стволовых клеток пациента и рассчитывает, что он поможет биологам в будущих экспериментах.

Фотография на обложке: Peter Endig / EPA

Когда человек теряет конечность, то самая главная его мечта - снова ощутить руку или ногу. И не просто ощутить, а выполнять конечностью все движения, доступные до травмы или болезни: взять чашку, зашнуровать ботинки, идти с опорой на обе ноги. Вернуть утраченные возможности позволяет бионический протез, или сложное устройство, улавливающее нервные импульсы.

Как появились «умные» протезы?

Прототип «живых» протезов придумали и описали фантасты. Это в их произведениях на смену утраченным в сражениях рукам, ногам, глазам и сердцам приходили механические помощники, работающие лучше живых органов. Самый известный пример - Терминатор Камерона, взявший от человека только внешний облик.

Мало кто знает, что прообраз современных протезов относится еще к 19-му веку, когда в деревянную ногу вставляли металлический шар, чтобы сделать нижнюю часть подвижной. Но в 20-м веке эти примитивные устройства заменил бионический протез, созданный на стыке нескольких наук: медицины, инженерии, бионики и электроники.

Ученые разных стран оспаривают первенство в этом вопросе, но факты таковы, что первый действующий бионический протез руки был представлен на ортопедической выставке в немецком городе Лейпциге в 2010 году. За несколько лет, прошедших с этого события, в мире было разработано огромное количество протезов стоп, ног и даже собачьих лап.

Что такое бионика?

Это целая наука, изучающая живую природу и возможность перенесения принципов работы живых существ в промышленные аналоги. Инженеры подсматривают идеи у природы и воплощают их в своих устройствах и сооружениях. В этом смысле бионические протезы - только капля в море. Так, известные всем застежки-липучки всего лишь копируют способ передвижения семян репейника. Присоски заимствованы у пиявок. При конструировании подводных лодок взяли за образец дождевого червя - у него все «отсеки» автономные. Невероятно выносливый металлический ажур Останкинской и Эйфелевой башен - это многократно увеличенная копия трубчатой кости человека. Переплетения металла, которые всех так восхищают - копия строения костной ткани, сочетающей прочность и гибкость.

Даже многоэтажный дом, в котором одновременно живут такие разные семьи, списан с пчелиных сот. Идея жизни разных людей в «ячейках» под одной крышей с общими коммуникациями копирует уклад жизни пчелиной семьи.

Бионические воплощения есть во многих предметах, окружающих нас: автомобильных шинах, самолетах, камерах наблюдения, водных судах и самых обычных

Как работает простейший бионический протез?

После травмы или в ходе болезни Оставшаяся культя состоит из множества тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов. Хирург во время операции выводит сохранившийся двигательный нерв на остающуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв может передавать двигательный сигнал. Этот сигнал воспринимает датчик, установленный на протезе. В процессе восприятия нервного импульса участвует сложная компьютерная программа.

Поэтому бионический протез может выполнять только те действия, которые в этой программе прописаны: взять ложку, вилку или шарик, нажать клавишу и тому подобное. По сравнению с отсутствием конечности возможность даже ограниченного числа движения - огромный прогресс. Однако даже самые лучшие и совершенные бионические протезы пока не могут выполнить всех тех мелких и точных движений, на которые способна живая конечность.

Как проходит от мозга к протезу?

Чтобы понять, как работают бионические протезы, нужно вспомнить нормальную физиологию человека.

Движения, которые мы совершаем многократно в течение дня, называются автоматическими. Подъем, поход в туалет, умывание, чистка зубов, одевание - все это никаких мыслей у нас не вызывает. Тело делает все что нужно как бы само собой. Но на самом деле начало любого движения - мысль. То есть вначале мы думаем: нужно почистить зубы, сварить кофе, одеться. Мозг посылает сигналы тем мышцам, которые в данном движении задействованы. Мышца может сокращаться или расслабляться только по сигналу мозга. Но процесс проходит настолько быстро и слаженно, что мы не успеваем осознать происходящее. В случае с протезом все сложнее: вначале сигнал о движении считывается электродом, расположенным рядом с выведенным на мышцу нервом, а затем отправляется на процессор внутри протеза. Этот процесс тоже достаточно быстрый, но скорость совершения действий все равно уступает живой конечности.

Искусственные человеческие «запчасти»

С тех пор как был представлен первый бионический протез, наука ушла далеко вперед. Если первые модели были громоздкими, требовали переключателей и могли выполнять только самые простые движения, то современные образцы трудно назвать протезами. Это элегантные инженерные изделия, словно сошедшие с экрана футуристических фильмов.

Протез абсолютно похож на здоровую руку, им можно писать, держать столовые приборы, руль автомобиля или куриное яйцо. Для совершенства движений иногда используются собственные ткани человека с других участков тела - с ног, например.

Идеи из будущего

Инженеры и ученые в своих фантазиях неудержимы. Так, ученые даже смогли «обойти» поврежденную сетчатку глаза, транслируя изображение окружающего прямиком на зрительный нерв. Человек, ослепший вследствие травмы, при сохранности зрительного нерва может рассчитывать на то, что снова увидит родные лица или прекрасный рассвет.

Уже появились устройства, улучшающие работу мозга. Так, с дрожательным параличом или болезнью Паркинсона можно справиться при помощи вживленного электрода.

Людям, ставшими неподвижными вследствие паралича, вживляют электроды прямо в мозг, чтобы они могли управлять искусственными руками и ногами. Для человека, полностью зависящего от окружающих, возможность самообслуживания - несказанная радость.

Обсуждается вопрос о вживляемых под кожу чипах, способных заменить ключи, банковскую карточку и одновременно.

А что у нас?

Наиболее известное предприятие, выпускающее бионические протезы в России, - это Московский протезно-реабилитационный центр. Здесь собирают протезы из модулей, используется продукция Германии, Исландии и России.

Протез каждого человека имеет индивидуальные особенности. Это и уровень ампутации, и вес, и рост, и род занятий, особенности походки и мелких движений, возраст. Используется много самообучающихся модулей. Приспосабливается не только человек к протезу, но и протез к человеку. Самообучающийся модуль, оснащенный встроенным искусственным интеллектом, запоминает особенности походки и маршрута движения. Модуль «учит» не только ширину шага и нагрузку на конечность, но и запоминает количество и высоту ступеней, выбоин и ямок на пути. Модули копируют действия мозга, подготавливающего шаг или другое движение.

Сколько стоит «живой» протез?

Стоимость бионического протезирования пока высока и может достигать в сложных случаях миллионов рублей. Однако возврат к полноценной жизни трудно оценить в материальном исчислении. По сути, установка бионических протезов - единственная возможность для инвалида вернуться к нормальной жизни: строить и осуществлять планы, содержать семью, добиваться карьерных вершин.

Самое главное - это вернуться в сообщество здоровых, надеющихся на себя людей. Люди с «живыми» протезами продолжают вести привычный образ жизни, танцуют и даже получают спортивные награды. То есть протез становится частью человека настолько, что трудно отличить действия живых мышц от их бионических аналогов.

Протезирование: этапы развития

По сравнению с обычным бионический протез кисти - настоящий прорыв. Совсем недавно человек, потерявший кисть, мог рассчитывать только на две возможности: между локтевой и лучевой костью формировался кожный лоскут, чтобы человек мог захватывать крупные предметы, или к культе присоединялся крюк. И то, и другое было неудобно и малоэстетично. Сегодня даже формирование культи под будущий протез начинается еще в операционной. С первых дней послеоперационного периода с пострадавшим работает протезист, помогая подобрать наилучшее сочетание деталей. Культю формируют и тренируют, а части будущего протеза максимально приспосабливают к оставшимся возможностям. С кожей соприкасается нежная манжета из силикона со встроенными чипами. Потертостей от современных протезов не бывает. Программа для каждого изделия разрабатывается индивидуально, в зависимости от того, чем человек занимается. Задача - максимальное восстановление функции.

Помощь инвалидам

Человек, утративший конечность, в обязательном порядке проходит медико-социальную экспертизу. Одновременно с установлением для каждого разрабатывается программа социальной реабилитации. Реабилитация предполагает использование в первую очередь технических средств, способствующих возвращению человека к труду. Все бионические протезы конечностей входят в обязательный перечень таких технических средств. У человека есть выбор: в рамках программы реабилитации получить готовое изделие или приобрести его самостоятельно с последующим получением денежной компенсации. Размер компенсации рассчитывается по средней стоимости аналогичных протезных изделий.

Над чем трудятся разработчики?

Современные бионические протезы рук отлично выполняют тонкие движения, но человек не получает от них тех ощущений, к которым привык. Так, протезом можно погладить человека по волосам, но нельзя ощутить тепло кожи головы и мягкость волос. Устранением именно этого недостатка занимаются сейчас ученые. Специалисты уже научились сращивать кости с титаном, а датчики движений и чувств соединять непосредственно с живым нервом. Так, бионическая рука полностью заменяет живую, и человек получает которых был лишен много лет. Непосредственное соединение нервов и мышц с техническим приспособлением намного увеличивает скорость движений, приближая ее к природной.

Из каких частей состоит бионическая нога?

Современный бионический протез ноги включает несколько обязательных элементов, таких как:

• силиконовая манжета со встроенными датчиками;
• опора - титановый стержень, формой напоминающий голень;
• шарнирный модуль с микродвижками и процессором;
• блок искусственного интеллекта, обрабатывающий все поступающие сигналы.

Последние модели протезов ведущих немецких компаний имеют особое покрытие, очень похожее на кожу. Синтетическая кожа имеет двойное назначение: защищает детали протеза от влаги и выполняет косметическую функцию. Протез с покрытием можно не снимать, принимать с ним душ и ходить по лужам.

Немного фантазии

Сегодня живут на одной с нами планете несколько человек, имеющих 2 и даже 3 бионических протеза одновременно. Изобретена синтетическая кожа, меняющая жесткость. Придуманы экзоскелеты, помогающие ходить парализованным людям. Разрабатываются изделия, управляемые силой мысли. Проводятся эксперименты по выращиванию нервов в микроканалах. Теоретически недалек тот день, когда можно будет вырастить нерв нужной длины. Ученые пытаются стереть грань между живой природой и техническим устройством. Количество движений, совершаемых бионическими протезами, постоянно увеличивается, возрастает и их сложность.

Все это дает большие надежды на то, что человек станет сильнее болезни.

Протезирование конечностей становится рутинной процедурой, возвращающей человека в привычное русло. Возможно, наступит тот день, когда любую часть человеческого тела можно будет заменить искусственной. По крайней мере, очень хочется в это верить.

Бионическая рука Вebionic получила репутацию одной из самых “продвинутой” бионической руки-протеза в мире. После просмотра недавнего видеофильм инвалида с рукой Bebionic становится ясно, что бионика достигла уровня, когда бионические протезы уже не неуклюжие и недостаточные замены рукам, но они существенно улучшают жизнь. Потому что они восстанавливают почти большую часть функций руки, которые были безвозвратно потеряны.

Рука Найджела Экланда была раздроблена в промышленной установке для измельчения металлических отходов пять лет назад. После несчастного случая он использовал несколько протезов рук ограниченного использования: от пассивной, чисто косметической руки, к открытому крюку с ремнем, прикреплённым к телу, к электрическому захвату с весьма ограниченной функциональностью. Недавно Экланд начал использовать последнюю третью версию бионической руки Вebionic (изготовленной компанией RSL Steeper), и она ему очень нравится. Движения бионической руки управляются электрической деятельностью двух основных неповрежденных мышц ампутированной руки. Рука снабжена 14-тью захватами и развивает очень приличное усилие в 99 фунтов. Счастливый Экланд хвастается своими новыми навыками в разбивании куриных яиц на видео, и завершает ролик бокалом пива.

Стандартная перчатка бионической руки Вebionic изготовлена из многослойного силиконового материала, который очень похож на кожу руки, и придаёт бионической руке очень реалистичный внешний вид. Экланд считает, что протез выглядит "слишком реальным" и решил носить протезную руку без перчатки, чтобы были видны металлические фаланги пальцев.
Компания RSL Steeper - не единственная компания, изготавливающая “продвинутые” бионические протезы рук. ultra компании Touch Bionics - другой пример очень удачной миоэлектрической рукой, доступной инвалидам. Но пациенты – и их страховые компании – не будут получать эти протезы бесплатно. И Bebionic v3 и i-limb ultra стоят порядка 15,000$ - 25,000$.

В то время как миоэлектрические протезы, такие как как Bebionic, всё улучшаются, другие разработчики бионики продолжают развивать протезы, которые управляются естественными сигналам и тела – электрической деятельностью нейронов. Присоединение поврежденных нейронов к бионической конечности смогло бы не только повторно соединить протез с управляющими нервами нервной системы, но могло потенциально также передавать сенсорные сигналы назад в мозг. И позволить инвалидам чувствовать, скажем, теплоту кофейной кружки или холод миски мороженого в их протезных руках. Но создание эффективного интерфейсного устройства нерв протез является невероятно сложной технической проблемой.

Ученые из университета Нью-Мексико придумали новый путь, который может сделать интерфейсные устройства достаточно эффективными, чтобы точно передать сигналы нейрона к проводке протеза. Их передовая технология, называющаяся “electrospinning “ (использующая достижения нанотехнологии), позволит соединять нейроны и наноэлектроды. Работа находится еще в ранней стадии доказательства принципа. Но однажды она сможет позволить инвалидам восстановить нейронное управление протезами в течение многих лет без потребности в повторных хирургических вмешательствах.

Потеря любой конечности или любого органа для человека - это большая проблема. В некоторых случаях с ней приходится мириться, но иногда современные средства протезирования способны сделать из человека «с ограниченными возможностями» человека с «дополненными возможностями», как выражаются представители некоторых компаний этой отрасли.

В этой статье мы поговорим о протезировании рук. Здесь мы не затронем тему зубов, глаз, ушей, лица, внутренних органов человека и даже ног. И начнём со Средневековья, когда одним из самых эффективных способов борьбы с инфекциями была ампутация. Тему продолжат устройства викторианской эпохи и современные бионические протезы, а в конце мы обсудим будущее этого направления.

Стальные руки рыцарей

Этот протез руки, выполненный из стали, датируется XVI веком. В нём есть сдвоенные пальцы и большой палец, которые могут принимать определённые позиции. Управление происходило с помощью кнопки на тыльной части ладони. Это устройство - один из трёх протезов шевалье

Götz von Berlichingen

Приспособление позволяло брать в руки предметы и, возможно, даже писать пером.

представлен в Музее науки в Лондоне.

Так выглядели протезы XIX и XX века. Представлены в Музее науки.

На этой фотографии немецкий солдат работает в мастерской, используя протез левой руки. Фотография

в Национальном музее Первой Мировой Войны в Канзасе.

Это швейцарский протез. В лучших традициях - с разными сменными насадками.

Этот протез

представлен

в Музее науки в Лондоне. Он сделан для 17-летнего парня в 1959 году.

Источник: sciencemuseum.org.uk

Одними из первых получателей протезов были военнослужащие. В этом случае производитель протезов из Бруклина на рекламном плакате сообщил, что горд работой с вооружёнными силами США.

Как можно заметить, протезы этого типа за несколько десятков лет не особенно изменились.

Современные бионические протезы

Давайте разберёмся сперва, что такое «бионические протезы». Бионика - это прикладная наука, объединяющая в себе биологию и технику. Живая природа помогает учёным находить решения для технических устройств. Различают биологическую бионику, которая изучает процессы в биологических системах, теоретическую, которая строит математические модели этих процессов и техническую. Нам сейчас важна техническая бионика: она применяет модели теоретической бионики для решения инженерных задач, как и в случае с протезами.

Ранее специалисты подразумевали под «бионическими» протезами такие устройства, которые похожи на часть тела, которую они замещают. С точки зрения современных понятий эти протезы - те, которые управляются электроникой и биотоками, то есть используют миографию или энцефалограмму.

Британская компания RSLSteeper, имеющая на данный момент около 90 лет опыта в протезировании, вывела бионический протез кисти руки BeBionic на международный рынок в 2010 году. На тот момент искусственная рука для взрослого имела только четыре функциональных захвата, но уже позволяла есть, пить, печатать, поворачивать ключ в замке, использовать банкомат и держать маленькие предметы. Пользователь с помощью устройства может разбивать яйца и держать в руке одноразовый стаканчик - потому что даже сила нажатия регулируется командами, снимаемыми датчиками с мышц.

Отсутствие массового спроса и низкая конкуренция - основная причина, по которой бионические протезы очень дорого стоят. В 2013 году протез ладони стоил до ста тысяч долларов.

Как удешевить протез? Нужно сделать дешевле его производство. В 2013 году успешно завершилась краудфандинговая кампания на IndieGoGo по созданию открытого и доступного протеза ладони, большую часть деталей для которого можно распечатать на 3D-принтере. Устройство имеет независимые приводы для каждого пальца, тактильную обратную связь и считывает сигналы через кожу для управления. В ладони устройства находятся электроприводы и управляющая плата на Arduino.

Макет детской версии Dextrus, стилизованной под руку Железного Человека.

В 2014 году Dennis Aabo Sørensen, потерявший руку из-за неосторожного обращения с пиротехническими «игрушками», вызывался добровольцем для испытаний протеза с обратной связью. Электроды протеза подключили к нервной системе человека. Сила сигнала просчитывается компьютером, и Деннис стал ощущать размер, форму и текстуру объекта.

Бионические протезы в России

На российском рынке фактически нет игроков, которые ввели в коммерческое использование бионические протезы рук. Разработку ведёт стартап «Моторика», известный внедрением в федеральную программу обеспечения инвалидов техническими средствами реабилитации тяговых протезов для детей - благодаря этой компании дети получают

тяговые протезы

за счёт государства. В этом видео - испытания четвёртого прототипа искусственной кисти Stradivary, которую команда планирует начать производить и устанавливать в России в октябре-ноябре 2016 года.

Протез Stradivary - миоэлектрический. Для его установки не требуется хирургическое вмешательство. Поверхностные миодатчики встраиваются в приёмную гильзу, касаются определённых мест на коже в районе мышц, улавливают потенциал при сокращении мышцы и передают сигнал на раскрытие или закрытие кисти.

Основная проблема, с которой встречаются при установке этого вида протезов, это слабо развитые мышцы предплечья. Чтобы избежать этой проблемы, «Моторика» и

тяговые механические протезы детям - такие протезы не только помогают выполнять различные функции руки, но и служат тренажёром.

По мнению Ильи Чеха, основателя «Моторики», сейчас есть два направления развития бионических протезов.

Первое - это очувствление, то есть обратная связь, позволяющая владельцу протеза получать информацию о качествах объекта, к которому он прикасается устройством.

Второе - вживление всех элементов, включая каркас и датчик. Одна из проблем с протезом Джеймса Янг, получившего руку, похожую на руку из Metal Gear Solid, это необходимость снимать такой протез для сна или принятия душа. В будущем протезы будут скорее напоминать руку главного героя фильма «Я, робот», сыгранного Уиллом Смитом. Не в плане соответствия собственной конечности, а в плане отсутствия необходимости дополнительного ухода.

Сейчас в мире очень популярно недорогое печатное направление в протезировании. К этому привели доступность и распространение 3D-принтеров. Существуют различные проекты, помогающие бесплатно получить тяговые протезы, и схемы, с помощью которых можно доработать и распечатать миоэлектрический протез руки. Илья Чех считает это направление временным: оно будет популярно предстоящие 10–12 лет, пока будут развиваться и масштабироваться вживляемые технологии. 3D-печать сейчас предлагает более низкую стоимость, но существенно проигрывает в качестве. И лучшее качество по сравнению с традиционными технологиями оно скорее всего не даст никогда. Всегда будет дешевле и качественнее отрезать на лазере из листового металла, чем печатать полимерами с помощью принтера. По крайней мере так будет, если мыслить в существующей парадигме развития печати, и не фантазировать на предмет молекулярного построения объектов. Печать создана для максимального сокращения сроков и стоимости прототипирования и R&D.

Как работает бионическая рука April 23rd, 2017

8 летняя Тилли впервые использует бионическую руку.

Я почему то думал, что до таких функциональных протезов наука на планете Земля еще не дошла. Однако же...

Как же это работает?

вот тут про эти протезы

До недавнего времени протезы прикреплялись к человеческому телу механически и не имели никакой связи с нервной системой. Они могли сгибаться в своих железных шарнирах-суставах, но для выполнения каждого движения владельцу нужно было тем или иным образом регулировать поведение своего протеза, вручную обеспечивая обратную связь. Таким образом человек сигнализировал своей ноге, что впереди лужа и ее нужно обойти, а руке — что нужно аккуратно взять яйцо и приготовить яичницу или, наоборот, крепко зажать в руке инструмент. Чтобы научить человека управлять новой конечностью таким образом, требовалось долгое время, да и набор команд был довольно ограниченным, поэтому мелкая моторика оставляла желать лучшего.

Но ученые, вдохновленные воображением писателей-фантастов, смогли сделать невероятное — присоединить механическую руку к человеческой нервной системе.

На перехват

Когда человеку без руки хочется пошевелить пальцем, мозг генерирует соответствующий сигнал, который идет по нервам, ведущим к мышцам конечности. Но, поскольку рука отсутствует, сигнал уходит «в пустоту». Но что, если где-то по пути «перехватить» нервные импульсы и на этой основе после анализа и обработки данных сформировать команды управления роботизированной рукой? Именно по этому пути идут многочисленные научные группы, стремясь разработать протезы, считывающие нервные сигналы и преобразующие их в движения.

В американских Хьюстонском университете и Университете Райса велись эксперименты со снятием моторных нервных сигналов методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) с помощью электродов на коже головы. Сложность в том, что ЭЭГ — это набор большого количества разных сигналов, и задача выделить среди них те, которые управляют движением конечности, сродни поискам иголки в стоге сена.

Исследователи из Технического университета Чалмерса в Гетеборге (Швеция) совместно с коллегами из консорциума NEBIAS (проект нескольких европейских университетов) пошли другим путем. Вместо того чтобы располагать электроды на поверхности кожи, где полезный сигнал сильно зашумлен, ученые попытались уменьшить влияние помех, вшивая электроды под кожу. Но физиология каждого человека индивидуальна, и нельзя заранее сказать, где именно следует расположить электроды для максимального соотношения «сигнал-шум».

Самообучение роботов

В настоящее время самым перспективным методом управления бионическими протезами считается считывание электрических потенциалов с мышц культи — электромиография (ЭМГ). Такие высокотехнологические протезы уже вышли за пределы лабораторий и производятся серийно. Однако научить пациента правильно управлять протезом — все еще сложная проблема.

В лаборатории прикладных кибернетических систем Московского физико-технического института пытаются перевернуть эту проблему с головы на ноги, то есть «обучить» протез правильно понимать команды человеческого мозга. Команда GalvaniBionix, состоящая из студентов и аспирантов МФТИ во главе с заведующим лабораторией Тимуром Бергалиевым использует для считывания электрических потенциалов с мышц не одну пару электродов, а множество. Такой подход позволяет добиться значительного повышения уровня полезного сигнала и реализовать алгоритмы «самообучения». Каждая комбинация сигналов, пришедшая с разных электродов, соответствует определенному действию руки, а задача в том, чтобы составить библиотеку соответствий, к которой будет обращаться система при получении нового набора импульсов. «Программное обеспечение учится правильно распознавать команды мозга, подстраиваясь под конкретного человека, — объясняет Бергалиев. — Нам удалось продемонстрировать работоспособность прототипа системы: человек с ампутированной конечностью с помощью «мышечных сигналов» мог перемещать курсор по экрану. В дальнейшем мы планируем использовать алгоритмы машинного обучения для анализа частоты регистрации различных комбинаций сигналов и с помощью этих данных улучшить распознавание».

Тимур Бергалиев, заведующий лабораторией прикладных кибернетических систем Московского физико-технического института, руководитель проекта GalvaniBionix:

«Для управления протезами мы разрабатываем технологию, которая подстраивается под индивидуальность человека. На культе мы размещаем не одну пару электродов, как это обычно делается, а несколько. Чем больше электродов мы используем, тем б? льшую выборку сигналов для анализа получим. Да, таким образом мы сильно усложняем работу компьютера, поскольку процессору сложнее анализировать множество сигналов. Но зато значительно упрощается жизнь пациента».

Электрические руки

Протезирование начиналось с чисто косметических (пассивных) протезов, предназначенных сугубо для воссоздания естественного внешнего вида утерянных конечностей. Однако достижения технологии позволили разработать управляемые различными методами протезы.

Тяговое управление использует механические тяги для передачи движения протезу.

Электромиографическое управление основано на считывании биоэлектрических потенциалов, возникающих при сокращении мышц на уцелевшей части руки.

Электроэнцефалографическое управление использует считывание электрических потенциалов в мозгу посредством электроэнцефалографии (ЭЭГ). Сигналы с датчиков, размещенных на поверхности кожи головы, декодируются компьютером и преобразуются в команды, управляющие протезом.

Управление с помощью электронных имплантатов — вживленных в кору головного мозга электродов, с помощью которых регистрируется активность корковых нейронов.

Так что будущее уже рядом:

источники