Бионические протезы: как стать киборгом

Ежегодно в мире миллионы людей становятся инвалидами. Бионические протезы помогают вернуть человеку работоспособность. Узнаем, что такое современный протез, как его «подружить» с человеком и сколько стоит бионический протез руки.

Что такое бионика

Многие помнят знаменитую фантастическую голливудскую франшизу «Робокоп». Убитый полицейский Алекс Мерфи получает усиленный титановый корпус и кевларовые протезы, способные легко проламывать стены.

В 1987 году это казалось фантастической сказкой, но бионика сегодня шагнула далеко вперед. Что в определенной мере отразилось и в современном российском кинематографе. Все же смотрели новый сериал от ТНТ “Толя-Робот”?! Эволюция от “Робокопа” к “Толе-Роботу” в многом отражает, то насколько доступнее и проще стали технологии, поэтому и киборг на телеэкране стал решать задачи намного приземленнее и в более привычном антураже в сравнении с полицейским Мерфи, — ну это так лирическое отступление…

Бионика (от биологии и техники) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, формах живого в природе и их промышленных аналогах. Ученые различают биологическую, теоретическую и технологическую бионику.

Очевидно пересечение этой науки с биологией, медициной, кибернетикой, микроэлектроникой, материаловедением и целым рядом других.

В наше время бионика (или биомиметика) получила толчок к развитию благодаря разработке искусственных нейронных сетей и современных мощных микропроцессоров.

История развития бионических протезов

Первые протопротезы археологи обнаружили на раскопках в Египте. Найденным там деревянным пальцам более 3000 лет. Протез-палец использовался для предотвращения мозолей от сандалий.

Историкам известны упоминания о первых деревянных протезах рук и ног в античные времена. Их установка могла облегчить человеку передвижение, но не более.

Средневековые лекари в эпоху страшных эпидемий лучшим лекарством от распространения заражения считали ампутацию конечности. Протезы того времени начинают приобретать крюки для ношения сумок. А знать даже могла позволить себе искусно изготовленный металлический протез со сжимающейся в кулак кистью. Таким образом его владелец-рыцарь даже мог держать оружие.

В Европе XVIII-XIX веков инженерная мысль шагнула вперед, но протезы еще остаются примитивными. Количество подвижных частей увеличивается, используются гибкие тросики и жесткие тяги. В ладонях часто проделываются специальные отверстия для крепления дополнительных насадок. Так, люди с ограниченными возможностями того времени могли держать перо для письма, ложку и вилку, инструмент для несложной работы. Богатые могли позволить себе шедевры с тонкой гравировкой и чеканкой.

XX век — время усовершенствованных тяговых протезов. Вместе с усложнившейся механикой приходят и новые материалы:

• резина;
• облегченные сплавы;
• пластмассы и полимеры;
• позже стеклопластик;
• силикон;
• кевлар;
• карбон.

Все эти изобретения активно применялись и применяются в протезостроении. Также новые материалы сделали протезы похожими на живые человеческие конечности, что в итоге помогало инвалидам лучше социализироваться.

Современные бионические протезы

Само понятие бионический протез изменилось с момента появления в XX веке. Если раньше под ним понимали приспособление, внешне очень схожее с потерянной конечностью, то сегодня это функциональные технологичные устройства, сложные мехатронные системы, управляемые электронно.

Операция по биопротезированию — это работа команды специалистов: медиков, робототехников, материаловедов и дизайнеров.

Как работает бионический протез

Датчики сигналов нервной системы человека считывают нужные импульсы и передают их на систему управления биопротезом. Конструктивно биопротезы состоят из:

1. Системы управления. Объединяет в себе считывающие нейросенсоры и процессор, который управляет механической частью.
2. Механической части. Электромоторы, привода, шарниры обеспечивают подвижность, гидро- и пневмоамортизаторы снижают нагрузку на тазобедренный и другие суставы.
3. Каркаса. Изготавливается из легких, прочных современных материалов. Каркас защищает «начинку» устройства от механических повреждений, а также придает форму поврежденной части тела. Может покрываться материалами, имитирующими человеческую кожу.

Как проходит нервный импульс от мозга к протезу

Сенсоры могут считывать сигналы с целевых участков коры головного мозга или получать нейроимпульсы с мышц культи. Сложность считывания нужного сигнала обусловлена наличием шума и помех, поэтому часто датчики вживляются под кожу головы или поврежденной конечности.

Не только руки и ноги

Современная бионика предлагает не только протезы конечностей, но и других органов.

Глаза

Сегодня появляются первые модели бионических протезов глаз. Микроскопические электроды вживляются в сетчатку поврежденного глаза и подключаются к видеокамере, которая интегрирована в специальные очки.

Встроенный в очки микропроцессор обрабатывает изображение и передает его на импланты. Сегодня качество изображения не дотягивает до уровня здорового глаза, но эта технология уже используется в мировой и российской офтальмологии.

Уши

Кохлеарный имплантат — устройство, выполняющее функции барабанной перепонки и стремечка. Установленный снаружи микрофон передает сигнал на установленный имплантат, который производит стимуляцию слухового нерва.

Мозг

В 2011 году учеными проведены первые эксперименты по протезированию головного мозга. Подопытным крысам вживили имплантат памяти. Хотя первые попытки оказались очень примитивными, ученые уверены, что в будущем подобные устройства помогут людям после травм головы, инсультов, а также при деменции.

Сердце

Первая успешная имплантация искусственного сердца произошла в США в 1969 году. Но если тогда искусственный орган мог работать всего 1-2 суток под пристальным вниманием специалистов, то сегодня управляемое электронно сердце работает годы, а подзаряжать аккумулятор можно от домашней розетки.

Разработаны бионические протезы даже для кошек и собак. Поэтому состоятельные хозяева могут подарить вторую жизнь любимому питомцу.

Как изготавливают биопротезы

Неизвестно, когда и где появились первые опытные биопротезы, но первый мелкосерийный экземпляр в 2007 году выпустила компания TouchBionics из Великобритании. Опытные инженеры из компании RSLSteeper предложила популярный протез кисти руки в 2010 году.

Самое современное на тот момент устройство имело всего четыре варианта захвата, но уже позволяло пить и есть, держать мелкие предметы, пользоваться кредиткой, клавиатурой, ключом. Тонкая регулировка силы сжатия управлялась с помощью сенсоров, установленных на мышцах культи. Подвижными были фаланги каждого из пальцев.

Вот основные причины крайней дороговизны современных бионических протезов:

• нестабильный спрос;
• материалы;
• сложность проектирования;
• невозможность крупного серийного производства.

Но небезразличные люди в 2013 году запустили краудфайндинговую кампанию по разработке недорогого и доступного биопротеза руки. Большую часть механических деталей можно напечатать на 3D-принтере, а блок управления работает на Arduino (совокупность аппаратно-программных средств для разработки несложных систем автоматики и мехатроники для непрофессиональных пользователей). Так удалось снизить себестоимость протезов в десятки раз.

Бионические протезы: общие недостатки

К минусам, помимо цены самих протезов, можно отнести и заоблачные цены на комплектующие и аксессуары к ним. Силиконовая перчатка не лучшего качества к устройству BeBionic стоит порядка 30 000 рублей, замена раз в полгода. Без нее нельзя: хрупкая и несовершенная пока электроника боится воды и пыли.

Протезы пока не могут на 100% заменить человеку руку. Ежедневно человек с биомеханической рукой сталкивается с трудностями на бытовом уровне: ему сложно одеться, приготовить завтрак и вымыть за собой посуду.

Другой существенный недостаток — малое время автономной работы. Как и большинству современных устройств, заряда хватает на день активного использования.

Многие сталкиваются с очень болезненной неприятностью — воспаление и нагноение культи. При возникновении воспалительной реакции (а появляется она как ответ организма на действие механических раздражающих факторов) протез не носят. Устраняются симптомы медикаментозно с помощью мазей, гелей, а также инвазивно.

Еще одна проблема — научиться пользоваться высокотехнологичной рукой, интуитивно почувствовать логику действия устройства. Люди с подобным опытом говорят, что процесс обучения не заканчивается никогда: купил новую куртку с другой молнией, сменил любимую кружку — учись пользоваться заново.

И наконец, человек с протезом лишен привычных ощущений от утерянной части тела. Существуют современные протезы с обратной связью, но качество имитации пока далеко от идеала.

Бионическое протезирование в России: краткий обзор рынка

Каждый год в России проводится более 72 000 ампутаций конечностей. Это гораздо чаще, чем в среднем по миру.

Какие биопротезы существуют сегодня

На рынке умных протезов несколько лидеров. Это компании:

• RSLSteeper (Великобритания);
• Touch Bionics и Ottobock (Германия);
• Ossur (Исландия).

Цены на продукцию этих производителей высоки. Протез руки ilimb Quantum от Touch Bionics — $50 000, BeBionic 3 (RSLSteeper) — $30 000, а если с локтевым суставом — плюс еще $35 000.

Протезы ног не дешевле. Коленный сустав от Ossur стоит минимум в $25 000, C-Leg от Ottobock стартует с $20 000. Одна только стопа на протез без подвижных частей стоит от $1200. Ступня изготавливается из композитных материалов.

Чем отличаются зарубежная и российская бионика

Постоянно биопротезами в России занимаются только три компании-разработчика:

• MaxBionic;
• Орто-космос;
• Моторика.

Производитель «Моторика» в 2017 году вывел на российский рынок новый продукт под названием «Страдивари». Он внешне напоминает косметический протез, но функционален: совершает хват, опционально в него интегрируется инфодисплей с индикатором батареи, часами и календарем. Цена протеза руки стартует с 120 000 рублей. В планах производителя расширить функционал девайса и добавить функции, доступные нам в полноценных смарт-часах.

НПФ «Орто-космос» работает в Москве с 1992 года. Сегодня эта компания выпускает протезы и ортезы любой сложности, от недорогих до полноценных бионических, которые могут на равных соперничать с европейскими аналогами. Но и цена у них соответствующая: модульный протез голени ниже колена стоит 180-700 тыс. рублей, а модульный протез плеча, предплечья или бедра с внешним источником питания стоит до 5 млн. рублей.

Эта компания первой из российских обратила внимание на спортсменов с ограниченными возможностями и достигла в производстве спорт-протезов успехов. Многие паралимпийские чемпионы завоевали медали на протезах от Орто-космоса.

За достижения в разработке и изготовлении интеллектуальных протезов последнего поколения производитель получил ряд государственных наград и дипломов.

Компания MaxBionic основана в России в 2014 году. Идея ее создания пришла Максиму Ляшко, когда он сам потерял руку. Проанализировав рынок, он посчитал, что с его сложной травмой ему помогут только в клинике в Чикаго, стоить это будет от $250 000 без учета перелета, проживания и реабилитации.

Молодой инженер решил сам сконструировать протез для себя и для людей со схожими сложными травмами — в итоге был найден инвестор, в 2017 был установлен первый протез на человека, а через год была совершена первая продажа — 3 кисти. В октябре 2018 года вышла первая серийная партия протезов. Отличают эти протезы от зарубежных конкурентов широкий функционал и сравнительно низкая цена ($14 000).

Полнофункциональные бионические руки и ноги российской разработки дешевле европейских конкурентов, но объемы производства крайне невелики.

Стоимость и доступность

Ценники на биопротезы для России высоки, а получение субсидии на них часто упирается в бюрократический барьер. Поэтому современные функциональные устройства как зарубежных, так и отечественных производителей доступны немногим.

Но активное развитие 3D-печати, краудфайндинговые разработки в области мехатроники, робототехники и программирования вселяют надежду на то, что появятся доступные варианты. Уже сегодня разработанная британским инженером Джоэлом Гиббертом бионическая рука под управлением Arduino стоит от $1000.

Почему бионические протезы не становятся доступнее

Технологию 3D-печати в России, да и в мире пока нельзя назвать общедоступной. Поэтому, ввиду сложной конструкции, нелинейной системы управления, материалов бионические протезы от ведущих производителей остаются дорогими. Не делает их дешевле и отсутствие широкой конкуренции.

Появятся ли на рынке полнофункциональные дешевые протезы — увидим через пару лет.

Источник: future2day.ru

Комментарии: