ќт протеза к киборгу

04.05.2008, 10:06
»сточник: "¬округ —вета" автор: ≈гор Ѕыковский





»стори€ протезов сравнима с историей человеческой цивилизации. ѕо свидетельствам археологов, еще в неолите люди стали изготавливать зубные протезы из подход€щих по размеру обточенных камней, костей, кусочков дерева и прочих материалов. ¬прочем, зубной протез Ч дело относительно несложное по сравнению с протезированием активных частей тела.

¬ехи прошлого


Ѕлагодар€ старани€м тех же археологов стало известно, что професси€ ортопеда, то есть специалиста, занимающегос€ лечением опорно-двигательного аппарата человека, может быть, как это ни удивительно, одной из древнейших. “ак, в 2002 году в ≈гипте была представлена публике редка€ находка Ч дерев€нный протез большого пальца ноги, изготовленный еще в правление фараона XVIII династии јменхотепа II (1450 Ч 1425 годы до н. э.).

—ам протез был найден дес€тью годами ранее в одной из гробниц ƒолины ÷арей близ Ћуксора, и все эти годы тщательно исследовалс€ специалистами. ѕротез пальца выточен из дерева и включает в себ€ специальную кожаную муфту, с помощью которой он крепилс€ к ноге. —пециалисты считают, что устройство выполн€ло не только эстетическую функцию, но и помогало человеку удерживать равновесие при ходьбе. »ными словами, еще две с половиной тыс€чи лет назад человек, не собира€сь миритьс€ с потерей некоторых жизненно важных функций тела, пыталс€ синтезировать их с помощью подручных материалов.


¬прочем, археологи находили и более древние Ђактивныеї протезы. “ак, в 2001 году исследователи, работавшие в ≈гипетском музее  аира, идентифицировали в некоем экспонате, до этого дес€тилети€ми пылившемс€ в запасниках и не вызывавшем ничьего интереса, остатки протеза правой руки.


ј что, собственно, происходит?


ѕрактически до конца XX века протезы (от греч. prosthesis ЧЂприсоединениеї) прикрепл€лись к человеческому телу лишь механически, в лучшем случае их части сгибались в Ђсуставахї с помощью ручных команд. Ќо вот совсем недавно по€вилось новое направление в ортопедии, которое пока достаточно условно называетс€ биомехатроникой Ч соединением робототехники с нервной системой человека. ¬ рамках этого направлени€ уже разрабатываютс€ искусственные конечности, которые двигаютс€ совсем как насто€щие.


¬ладельцы обычных ножных протезов (особенно те, у которых нога ампутирована выше колена) часто спотыкаютс€ и падают или передвигаютс€ неестественной походкой Ч и все потому, что на протезе нет Ђобратной реакцииї.


≈стественное решение Ч сделать протез Ђквазиживымї, умеющим реагировать на нагрузку и внешнюю среду (скажем, даже на характер почвы), а в идеальном случае Ч реагирующим на команды, исход€щие из мозга.


 онструированием более надежных протезов занимаютс€ сегодн€ сразу несколько исследовательских групп. ѕредполагаетс€, что новинками можно будет управл€ть с поразительной точностью. —кажем, на некоторые из продаваемых в насто€щий момент моделей протезов колена уже установлены встроенные микропроцессоры, которые могут быть запрограммированы таким образом, чтобы пользователь смог передвигатьс€ более естественно. √руппа разработчиков из знаменитой Media Laboratory (ћассачусетский технологический институт) под руководством профессора ’афа √ерра пошла в реализации этой идеи еще дальше. Ѕыл разработан протез со встроенными датчиками, способными измер€ть степень изгиба колена, а также усилие, которое прилагаетс€ к нему во врем€ ходьбы. Ёто искусственное колено, недавно выпущенное на рынок исландской компанией Ossur, включает в себ€ еще и компьютерный чип. „ип анализирует данные с датчиков, размещенных на суставе, с целью создани€ подход€щей модели походки пользовател€ и адаптации движений протеза к движени€м человека. (ѕримерно по тому же принципу Ђподстраиваетс€ї к человеку адаптивна€ автоматическа€ коробка передач в автомобиле.)


ѕока новые протезы продаютс€, группа профессора √ерра двигаетс€ дальше: работает над размещением таких датчиков за пределами коленного сустава. ¬ этом случае можно будет их использовать не только дл€ определени€ механической нагрузки, которую оказывает тело человека на протез, но и дл€ обнаружени€ нервных импульсов, поступающих на мышцы, расположенные р€дом с искусственным суставом.


—обственно, именно это и называетс€ Ђбиомехатроникаї Ч производство роботизированных протезов, способных Ђобщатьс€ї с нервной системой человека и выполн€ть полученные от нее команды.


—огласно прогнозам того же √ерра, к началу второго дес€тилети€ нынешнего века пациенты с некоторыми травмами спинного мозга (то есть частично парализованные) смогут снова двигать своими конечност€ми, управл€€ надетыми на них роботизированными экзоскелетами (или, по крайней мере, это будет возможно на экспериментальном уровне). √руппа биомехатроники √ерра финансируетс€ американским ƒепартаментом по делам ветеранов с целью облегчить жизнь люд€м с ампутированными конечност€ми, ставшим инвалидами в результате боевых ранений.


—ам профессор √ерр потер€л нижнюю часть ног еще в юности Ч отморозил, занима€сь альпинизмом, и теперь лично заинтересован в удачных испытани€х нового устройства. Ђѕолагаю, что будет очень здорово снова научитьс€ управл€ть своими лодыжкамиї, Ч говорит он, планиру€ испытать на себе самом самый последний прототип протеза лодыжки. Ќа весну нынешнего года была запланирована имплантаци€ в мышцы одной из ног профессора, ниже колена, трех небольших датчиков (результаты эксперимента станут известны позднее). √ерр напр€гает и сгибает мышцы ноги так же, как он это делал, когда у него еще была лодыжка. ћозг работает, посыла€ сигналы к несуществующей части тела. «адача датчиков состоит в том, чтобы измер€ть электрическую активность в мышцах и передавать полученную информацию на установленную в протезе лодыжки микросхему. ќна, в свою очередь, Ђпереведетї электрические импульсы на €зык инструкций, которые передаст сервоприводам протеза.


„еловек при этом сможет двигать искусственной лодыжкой, Ђожививї мышцы, оставшиес€ в ноге на стыке с искусственным суставом. ћало того, в будущем он сможет почувствовать ее ответную реакцию так (или хот€ бы примерно так), как он чувствовал сустав до ампутации.


 онечно, наладить Ђобратную св€зьї по нервным каналам Ч задача, м€гко говор€, нетривиальна€. Ќеизвестно, когда она будет удовлетворительно решена. ќднако пока что пациент может почувствовать положение лодыжки благодар€ слабым вибраци€м, генерируемым искусственным суставом. ¬озглавл€ющий проект ƒепартамента по делам ветеранов –ой јрон, профессор ортопедии медицинского училища Brown Medical School, очень высоко оценивает шансы √ерра на успех. Ђћы считаем эту работу чрезвычайно перспективнойї, Ч за€вил он в середине прошлого года в интервью, данному р€ду журналистов из американских научно-попул€рных журналов.


—ам же √ерр уверен, что в той области, которой он занимаетс€, благодар€ сращиванию достижений биомехатроники и инженерии тканей дело вскоре дойдет до изготовлени€ протезов, соедин€ющих в себе искусственные материалы и человеческую ткань. Ђя думаю, что в конечном итоге мы неизбежно придем к созданию гибридных устройствї, Ч за€вил √ерр корреспонденту Ђ¬округ светаї.


¬ Ўотландии группа исследователей из отделени€ ортопедической хирургии Ёдинбургского университета еще в середине 90-х годов разработала систему ЂEdinburgh Modular Arm Systemї. Ёто электронна€ рука, которой один испытатель пользовалс€ почти дес€ть лет. ќн мог поднимать и опускать руку, сгибать локоть, вращать ладонь и даже шевелить отдельными пальцами. ѕротез оснащен шаровыми шарнирами и миниатюрными электромоторами, прикрепленными к шинам (Ђкост€мї) из углеродного волокна, замен€ющим плечо и предплечье. ”правл€ть всей этой конструкцией можно с помощью мускулатуры плеча. Ёлектроды, прикрепленные к мышцам, воспринимают электрические сигналы сжати€ и передают их протезам. »спытани€ руки до сих пор не завершены, а тем временем она уже начала морально устаревать, ведь €сно, что протезы будущего должны напр€мую контактировать с нервными окончани€ми мышц, а не просто улавливать мышечные напр€жени€.


„то же дальше? Ќа что будут похожи эти Ђгибридыї, которые замен€т нынешние неуклюжие протезы (не приходитс€ сомневатьс€, что спуст€ полвека даже искусственные лодыжки √ерра будут казатьс€ довольно архаичным устройством), и не превратитс€ ли человек в киборга?


Ќесомненно, в какой-то степени превратитс€. ѕон€тие Ђcyb(ernetic) org(anizm)ї, сокращенное до звучного слова Ђкиборгї, придумал в 1960 году специалист по космической медицине (что не случайно) ћанфред  лайнс. ¬ принципе достаточно снабдить человека искусственным стимул€тором сердца Ч вот вам, пожалуйста, и киборг, полюбуйтесь. ¬едь нет никакой критичной разницы между одним вживленным искусственным органом и дес€тью, и тем, внутренние они будут или внешние.


Ћюбопытным исследованием занимаетс€ группа известного американского изобретател€ —тивена ƒжейкобсена, основател€ компании Sarcos (он же, кстати, до этого проектировал роботизированные протезы руки и, как на странно, знаменитые Ђтанцующиеї фонтаны отел€ ЂЅелладжиої в Ћас-¬егасе).  омпани€ Sarcos стоит на пороге промышленного изготовлени€ робокостюмов.  онечно, ее работа финансируетс€ военными ведомствами: только представьте себе возможности суперсолдат, суперспасателей и их дес€тикратно усиленные мышцы! ќднако €сно, что такими робокостюмами с удовольствием воспользуютс€ и люди, лишенные возможности передвигатьс€ самосто€тельно. ƒл€ слаженной работы всего механизма требуютс€ несколько сложных сенсоров в каждом суставе и под голеностопом. —енсоры привод€т в действие гидравлическую систему, исполн€ющую роль мышц. Ќадевшему такой костюм человеку надо лишь слегка напр€гать мышцы, и при этом он сможет легко балансировать на одной ноге с центнером груза за спиной: вс€ нагрузка практически придетс€ на Ђмышцыї и стальные ноги робота, надеваемого, как костюм.


¬ том же направлении движетс€ и …ошиюки —анкаи, профессор университета ÷укуба (япони€). ќн готовитс€ к массовому производству разработанного им мускульного усилител€, чем-то напоминающего костюм от Sarcos. ”стройство это предназначено дл€ помощи люд€м с ослабленными болезнью или врожденными дефектами мышцами. –обокостюм обнаруживает напр€жение тех или иных групп мышц, передава€ соответствующие команды на Ђмускулыї экзоскелета. ћеханический каркас, с установленными в колен€х и вокруг по€са двигател€ми, плавно перемещает ноги пользовател€ в соответствии с его желанием. —корость этого Ђпротезаї, правда, невелика.


¬ообще основным камнем преткновени€ в таких разработках остаютс€ как раз Ђмышцыї и питание. Ќынешние приводы громоздки, медленны и потребл€ют слишком много энергии.


ѕоэтому отдельное перспективное направление, которое быстро сольетс€ с биомехатроникой, Ч разработка искусственных мышц. ’орошие искусственные мышцы могли бы заменить половину существующих на планете электромоторов (а их сейчас Ч уже многие миллиарды). »нженеры уже разрабатывают устройства, работающие от искусственных мышц, в том числе наколенники, предотвращающие ушибы, небольшие насосы дл€ дозировки лекарств, а также роботов, которые извиваютс€ как змеи, летают, как птицы, или прыгают, как кузнечики. Ќо р€д исследователей возлагает на этот материал и другие надежды: заменить имиЕ натуральные человеческие мышцы.


¬ середине прошлого года на ежегодной научной конференции в —ан-ƒиего три университетские команды выставили на соревновани€ по армрестлингу между роботом и человеком недурные образцы искусственных мышц. ќднако роботы все равно проиграли вчистую.


  сожалению, даже лучшее из того, что пока может предложить инженерна€ мысль, не может сравнитьс€ с человеческой мышцей, которой любой биоинженер даст высочайшую оценку и перечислит длинный список достоинств.


ѕервое и главное Ч это сила. Ђ—редн€€ї мышца бедра может произвести усилие (3 кг силы на см2 своего сечени€), достаточное, чтобы сломать сосновую парту. «а силой следует мощность Ч отношение работы к промежутку времени, в течение которого она совершена.  ак в автомобил€х, высока€ мощность приводит к большим скорост€м, у стандартной скелетной мышцы  ѕƒ куда выше, чем у стандартного автомобильного двигател€. ћышцы также действуют как тормоза, пружины и амортизаторы. ¬от почему мы, в отличие от обычного робота, можем бегать, прыгать и м€гко приземл€тьс€. ѕока искусственным мышцам далеко до естественных, но они уже существуют. ¬ конце концов, первый космический полет тоже длилс€ совсем недолго. Ќо мышцы Ч это еще далеко не все.


Ѕиомехатроника стремительно прогрессирует по всем направлени€м. Ќапример, существующее на данный момент титановое сердце Abiocor, к сожалению, может быть имплантировано только примерно 50% мужчин и работает всего два года. —ледующа€ модель, котора€ планируетс€ к 2008 году, окажетс€ втрое компактнее, подойдет большинству мужчин и половине женщин и будет работать п€ть лет.


 орпораци€ Advanced Bionics разрабатывает кохлеарные импланты Bionic Ear, которые будут возвращать к жизни поврежденные органы внутреннего уха: крохотна€ помпа будет подавать к нервным окончани€м стимулирующие препараты, а электроды Ч возбуждать нервные клетки.


–азработчики из ”ниверситета ѕиттсбурга работают над первым в истории имплантируемым легким из газопроницаемого микроволнистого материала (небольшой насос забирает углекислоту и поставл€ет кислород, насыщающий ткани Ђлегкогої и переносимый оттуда в кровь).


“аким образом, сегодн€ мы далеко ушли от первых дерев€нных пальцев-протезов времен первых фараонов. (Ќо, к сожалению, современные модели Ђинтеллектуальныхї протезов доступны пока далеко не всем). ¬переди Ч не менее длинный путь к умению продублировать и заменить практически любой орган человеческого тела.


ƒругой путь


¬ работах, из которых Ђвырастутї протезы будущего, есть и другие направлени€, отличные от биомехатроники. ¬ науке, как и в высоких технологи€х, не всегда просто провести границу между област€ми исследовани€. ќднако в отношении Ђпротезировани€ї их можно достаточно условно разделить на биопротезы и исследовани€ регенерации тканей. ѕервое изучает возможность Ђвыращивани€ї протезов из естественных тканей или клонированных человеческих, или же других высших млекопитающих. «десь до реальных успехов пока далеко, скажем, знаменитые кемеровские биопротезы сосудов и сердечных клапанов, заслуженно получающие высокие оценки профессионалов, изготавливаютс€ только из сердечных клапанов свежезабитой свиньи. ¬р€д ли это можно считать перспективным подходом. „то касаетс€ регенерации тканей, то тут вообще пока можно говорить о теоретических результатах, ученые лишь подступили к пониманию того, как происходит регенераци€ на клеточном, тканевом и молекул€рном уровн€х у низших позвоночных. “ак что в ближайшее врем€ можно точно не рассчитывать на то, что ампутированную руку удастс€ отрастить снова.


 лючевые слова:
ѕротез
киборг
чип
 онструирование
искусственное колено
биомехатроника
ќт протеза к киборгу
 иборги и андроиды
робот
робототехника


¬ернутьс€ в рубрику:

 иборги


≈сли вы хотите видеть на нашем сайте больше статей то кликните ѕоделитьс€ в социальных сет€х! —пасибо!
—мотрите также:

ќбратите внимание полезна€ информаци€.