Стать киборгом: как устроены современные бионические протезы и в чем их преимущество

Механическими называют протезы, которые разгибаются и сгибаются за счет оставшихся мышц. Иногда используются датчики, которые реагируют на нервные импульсы. Но сейчас начинают появляться новые формы протезов.

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.

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».

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.

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».

По статистике, в России чаще всего ампутация производится из-за сахарного диабета. Это целых 50% случаев в случае ног. В Европе статистика указывает на гораздо меньшее количество ампутаций нижних конечностей – 8%. В России люди поздно задумываются о здоровье, вследствие этого диагностика происходит на поздних стадиях.

Еще одна частая причина ампутации – травматизм. В год около 90 человек из тысячи по всей стране получают увечья. Причем большая часть приходится на мужчин. 70% случаев связаны с бытовыми случаями, а 20% произошли на улице. Повреждения, связанные с производством, занимают третье место, но травмы получают так же в спортивной и транспортной областях.

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.

В России производством бионических протезов занимаются две компании: «Моторика» и MaxBionic.

Компания «Моторика» существует с 2015 года. Она работает не только в России и странах СНГ, но и во Франции, Индии, ОАЭ, Южной Корее и ряде других стран. С момента основания компания произвела больше 5000 протезов, которые используются до сих пор.

В 2019 году «Моторика» получила от РФПИ инвестиции в размере 100 миллионов рублей. В 2021 году инвестиции от РФПИ поступили в том же объеме, и вдобавок 200 миллионов рублей от ДФВТ.

Проект MaxBionic запустился в 2014 году. Годом ранее один из его основателей, Максим Ляшко, потерял руку на производстве. Характер его травмы не позволял ему применять многие протезы. На тот момент почти не существовало производителей протезов, функционал был ограничен, а цена высокой.

Основную часть компании MaxBionic составляют инженеры. Идея команды в том, что бионические средства реабилитации – будущее человечества, потому нужно делать его доступнее. Именно эта компания ассоциируется с высокими технологиями, так как внесла значительные изменения в бионическую многохватную кисть и создав целый отдельный класс протезов.

Протез «Страдивари» от «Моторики» внешне похож на косметический, но он может хватать предметы. А еще в него можно встроить другие функции, например, чип для оплаты через PayPass. Кроме того, можно вмонтировать дисплей для отображения уровня заряда, даты, времени и для управления протезом. Такой протез обойдется в 390 тысяч рублей.

Протез MeHandS от MaxBionic – только кисть, так как гильза собирается сторонними производителями. MeHandS – многохватный протез, пальцы которого могут двигаться по отдельности и брать предметы несколькими способами. Стоимость такого изобретения – 14 тысяч долларов.

На российском рынке протезирования есть и зарубежные аналоги. Например, i-Limb, Touch Bionics, Ottobock. Выбор больше, но вот стоимость их выше в несколько раз. Так, Bebonic стоит от двух миллионов рублей, а i-Limb – 40 тысяч долларов.

Протез руки i-limb access управляется мышцами. Спецсигналы считываются программным обеспечением, после чего автоматически выбирается определенный хват и производится движение. Доступно 12 видов хватов. Более того, скорость движения можно настраивать. Стоит кисть 18 тысяч долларов.

i-limb ultra отличается большим количеством хватов – 14 штук. Кстати, в этой версии предусмотрена функция настраивания большей силы при сжимании. Она нужна для предотвращения выскальзывания предметов: если сенсоры почувствуют, что объект падает, кисть сожмется.

Бионическая кисть Michelangelo сделана из материалов, которые имитируют мышцы, сухожилия, суставы, от этого создается натуральный внешний вид. Активными пальцами являются большой, средний и указательный пальцы, а остальные повторяют движение. Специальный механизм позволяет выполнять вращение, хватать предметы, сгибать и разгибать кисть. Стоимость такого изобретения – около 1,5 миллиона рублей.

На самом деле, несмотря на то, что бионические протезы возвращают людям, перенесшим ампутацию часть возможностей, они могут не так много. Зачастую протезы работают за счет пары датчиков, которые считывают активность мышц руки и двигают механизм. Это позволяет брать предметы. Но вот поймать предмет в полете не получится. В теории, конечно, это возможно, но для этого понадобится большая удача.

Бионический протез не позволит вам взять два предмета в одну руку. Речь именно о последовательном действии. То есть, если вы взяли один предмет, второй вы сможете взять, только выронив первый.

Современные протезы не имеют обратной связи: вы не ощущаете того, чего касаетесь. Это достаточно очевидная деталь, но она создает большое количество ограничений. Например, вы не сможете нащупать предмет в темноте. Если вы не видите то, чего берете, то не сможете проконтролировать процесс. Из глубокого кармана, рюкзака по той же причине сложно что-то достать.

Если речь идет о высокой ампутации, то есть потери локтя, появляется еще ряд проблем. Помимо того, что такие протезы стоят в 2 раза больше, локтевые суставы в протезах работают плохо, весят очень много и в производстве сложны. Люди с ампутацией выше локтя реже используют протезы по этим причинам.

Чтобы лучше понять нынешнее состояние протезов, следует обратить внимание на CYBATHLON – соревнования среди производителей и пользователей протезов. Проходили они в 2016 и 2020 году. В обоих случаях лучшими там становились тяговые протезы – те, что работают как клешни, способные только сжиматься и разжиматься.

Это говорит о том, что даже современные бионические протезы уступают тяговым – как в стоимости, так и в функциональности. Хотя, конечно, бионические протезы обладают большим спектром действий и перспективностью.

Бионические протезы нельзя мочить. Они быстро приходят в негодность. На улице их нужно защищать специальной перчаткой от дождя, даже хранить в сыром месте не рекомендуется. Соответственно плавать в протезах не получится.

Работать на компьютере с помощью мыши тяжело. Это возможно, но очень долго и неудобно. Часто люди, не имеющие рук, пользуются трек-боллом – специальным устройством, замещающим мышь.

Константин Дебликов – воронежский парень, известный как российский киборг. Во время фаер-шоу он потерял кисти обеих рук. В его руках взорвались два пиротехнических фонтана. В своих социальных сетях Константин освещает проблему протезирования в России и в мире и самокритично шутит о своих культях.

Как только Константин потерял руки, большое количество людей помогло ему, собрав четыре миллиона на новые протезы. Сейчас на его YouTube-канале насчитывается аудитория больше чем 100 тысяч людей.

Еще один популярный в сети человек – Данил Матвеев. Он родился без правой кисти. Парень отмечает, что в школе он стыдился этого, старался скрывать конечность. Когда он был в 11 классе, с ним познакомилась девушка по имени Василиса. Именно она дала ему уверенности и сил.

Сейчас Данил – блогер, он снимает видео в Tik Tok, больше не переживает из-за своей деформированной кисти. Он активно занимается спортом и ходит в тренажерный зал.

Ангелина Гаранина с рождения занималась танцами, но в 11 лет ее начали беспокоить боли в колене. Сначала врачи списывали все на растяжение, полученное на тренировках, но вскоре выяснилось что у девочки саркома правого бедра.

Сначала девушка получала лечение в Санкт-Петербурге, где проходила курсы химиотерапии и реабилитации, но в итоге ногу пришлось ампутировать. Девушке далось это крайне тяжело: она очень переживала из-за протеза, дети постоянно тыкали пальцем.

В 2016 году благодаря Русфонду девушка получила бионический протез, сделанный в Германии. Это позволило ей ходить, спускаться по лестнице и даже ездить на велосипеде. Сейчас Ангелина не стесняется своего тела, публикует фото с протезом. Девушка называет себя киборг-моделью.