Рука помощи: как устроен бионический протез
Фото: A.R.M. Project Titanium
В следующем году холдинг «Технодинамика» Госкорпорации Ростех начнет серийное производство бионических протезов руки. Разработчики ставят перед собой амбициозную задачу – создать собственный «автомат Калашникова» в сфере бионического протезирования. Кроме того, разработки в этой тематике ведут холдинги «Швабе» и КРЭТ.
Для людей, лишившихся руки, бионический протез – это возможность почувствовать себя не инвалидом, а супергероем. Как отмечают создатели, такие протезы могут быть адаптированы и для использования на сложных и опасных производствах. Например, при дистанционной работе с огне- и взрывоопасными составами или в агрессивной среде.
О том, какие новые возможности предоставляет современная бионика и как устроен новейший бионический протез – в нашем материале.
Запчасти для человека
О замене утраченных органов человечество задумывалось с древних времен, постепенно совершенствуя эту область знаний и сами протезы. Если первые протезы в основном имели эстетическое предназначение и визуально скрывали ущербность, лишь в редких случаях выполняя функции недостающих органов, то современные устройства в недалеком будущем смогут даже расширить возможности человека, сделав из него кибернетический организм, или киборга.
Несмотря на то что киборгизация человечества все еще выглядит сюжетом из фантастики, киборги уже живут среди нас, ведь так можно назвать любого человека, который использует механический или электронный протез или имплант. Сегодня одним из самых совершенных и при этом доступных видов протезирования верхних конечностей являются бионические протезы.
Бионика – наука, изучающая возможности применения свойств живой природы в технике. Впервые это слово употребил в 1958 году американский военный врач Джек Стил, который исследовал природные процессы и явления, чтобы применить эти знания в разработках для армии США. Одним из результатов развития бионики стало появление электронных протезов, которые могут взаимодействовать с нервными клетками человека.
Примечательно, что в СССР подобные разработки начались еще в 1956 году, когда доктор биологических наук Яков Славуцкий описал физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами. А уже в 1961 году начался промышленный выпуск советских протезов предплечья с биоэлектрическим управлением.
Стать киборгом за счет государства
В России около 200 тысяч человек нуждаются в протезировании рук или ног. Государство декларирует помощь в приобретении протеза, но на практике это часто оказывается проблематичным – либо очень сложно пройти через бюрократические препоны и получить компенсацию стоимости купленного за свои деньги протеза, либо выделяемые бесплатно протезы оказываются устаревших моделей и низкого качества. Еще одна проблема – сами инвалиды мало знают о современных протезах и о своих возможностях в получении технических средств реабилитации.
Но ситуация постепенно выравнивается. В рамках нацпроекта «Здоровье» увеличивается финансирование направления. В России за последние несколько лет появились свои стартапы разработчиков перспективных типов протезов, которые могут конкурировать с западными монополистами, по меньшей мере, на российском рынке. К теме проявляют интерес СМИ, шаг за шагом создается инфополе, у проектов появляются частные и государственные инвесторы, готовые поддержать деньгами и производственными возможностями.
Важным стимулом к развитию функциональных протезов стало развитие технологий. Практически все современные промышленные тренды нашли отражение в протезировании конечностей – роботизация, искусственный интеллект, создание материалов нового поколения, увеличение емкости и снижение веса аккумуляторных устройств, 3D-печать и другие.
Как работает бионическая рука
Бионический или биоэлектрический протез рождается на стыке наук – биологии, медицины, инженерии. Дизайн тоже играет немаловажную роль. Сегодня и производители, и будущие пользователи протезов не ограничивают себя в визуальном копировании природной конечности – протез может выглядеть футуристичной рукой робота или быть раскрашенным яркими принтами.
Работает бионический протез так. На культю руки крепится гильза, которая в каждом случае изготавливается врачом-протезистом под индивидуальные параметры. В гильзе размещаются датчики мышечной активности, взаимодействующие уже непосредственно с роботизированной рукой.
Фото: «Концерн Радиоэлектронные технологии»
Управление бионической рукой осуществляется через электроды с помощью биоэлектрических потенциалов мышц. Другими словами, протез «улавливает» мышечные импульсы и реагирует на них определенными движениями. Большинство задач решается двумя действиями протеза – хватом и щупом. Первое позволяет взаимодействовать с крупными предметами, второе – с мелкими, например застегнуть молнию или завязать шнурки.
Некоторые производители расширяют возможности бионических протезов, встраивая в них различные датчики и гаджеты, устройства оплаты, фонарики. Уже сегодня понятно, что в обозримом будущем возможности протезов превысят возможности природных органов тела, и это откроет совершенно новые перспективы их применения.
Кибер-руки Ростеха
В России наблюдается постепенный переход от косметического протезирования к функциональному, а рынок бионических протезов с каждым годом растет. По словам экспертов, в данный момент около 50 тыс. россиян стоят в очереди на протезирование рук. Сегодня благодаря участию госсектора молодые ученые и бизнесмены готовы вкладывать свои силы и знания в бионику. Невысокая цена – основное конкурентное преимущество отечественных разработок: базовые модели разрабатываются с учетом полного покрытия стоимости протеза субсидией Фонда социального страхования. Второй плюс для тех, кто выберет российский протез – более оперативная замена или ремонт в случае неполадок.
Перспективным направлением занимается сразу несколько предприятий Ростеха. Например, холдинг «Технодинамика» в следующем году начнет серийное производство бионических протезов руки под маркой A.R.M., выполненных полностью из отечественных компонентов. Протез создан совместно с командой изобретателей из Ленинградской области. Искусственная рука из металла и полиуретана воспроизводит основные движения кисти, не боится пыли и влаги и работает до трех дней без подзарядки. С помощью протеза можно поднимать до 10 кг и захватывать предметы диаметром до 10 см. Производить протезы A.R.M. будет НПП «Краснознаменец».
Холдинг «Швабе» уже выпускает высокотехнологичные протезы рук в сотрудничестве с резидентом «Сколково» – компанией «Моторика». Специалисты Вологодского оптико-механического завода собирают механическую часть протеза и внутренний остов кисти. Устройства «Моторики» отличаются чуткой системой управления, позволяющей работать с хрупкими предметами, различным дополнительным функционалом и длительным временем работы. Компания «Моторика» занимается просветительской деятельностью, помогает с получением протезов за счет государства и поддерживает сообщество владельцев бионики.
В рамках холдинга КРЭТ производство бионических протезов осваивает НПО «Квант» . Предприятие готовится к выпуску протезов SmartLi, разработанных новгородской компанией «Техбионик». Важное преимущество разработки – модульная конструкция протезов. Она открывает широкие возможности для адаптации устройств под конкретных пациентов и снижает стоимость протеза. Проект предусматривает выпуск целой линейки протезов: от облегченных моделей для маленьких детей до многофункциональных искусственных кистей.
События, связанные с этим
Путешествия с Ростехом: Самара
Дезинфекционный удар: технологии профилактики коронавируса
Источник
Как восстанавливается чувствительность после трансплантации рук
Исследование, проведенное нейробиологом Скоттом Фрейем (Scott Frey) в Университете Миссури в Колумбии (США), показало, что чувствительность нервов после пересадки руки постепенно восстанавливается в течение нескольких лет после операции, благодаря возникновению новых нейронных связей в головном мозгу. Результаты нового исследования были представлены 16 ноября на заседании американского Общества нейробиологов в Вашингтоне (США), сообщает Associated Press.
Во время обследований после операции, пациенты с пересаженной рукой должны были не глядя ответить на вопрос, к какой области руки — к ладони или пальцам — прикоснулись. Кстати, этот, казалось бы, тривиальный вопрос озадачивает физиологов, изучающих сенсорную область мозга. Команда доктора Фрея изучила группу пациентов с пересаженной рукой. Двоим из них восстановили их собственную руку сразу после потери, а у 14 других были проблемы с чувствительностью, вызванные травмой. Чем больше времени проходит после операции, тем точнее пациенты могут определять легкие прикосновения, говорит Скотт Фрей. У двоих человек из контрольной группы руки были пересажены восемь и десять лет назад. Чувствительность их была практически полной и точной, как у здорового человека. Как считает доктор Фрей, на регенерацию нерва уходит около двух лет. Постепенное улучшение тактильных и двигательных способностей у пациентов, перенесших операцию три и полтора года назад, свидетельствует о том, что мозг продолжает адаптироваться. Это исследовано важно потому, что оно позволит совершенствовать реабилитацию людей, перенесших инсульт, черепно-мозговую травму, а, может быть, и повреждение спинного мозга. Благодаря ему врачи могут облегчить и ускорить этот процесс.
Данные исследования свидетельствуют, что человеческий организм способен приспосабливаться и выстраивать новые связи в конечностях, после того они были нарушены. Когда хирурги проводят операцию по пересадке, нервы новой конечности должны связаться с телом. Пациент постепенно вновь становится способен различать тактильно тепло/холод, мягкость/жесткость, давление на руку и болевые ощущения. Но проблема в том, что если двигать новой конечностью после такой операции люди начинают сравнительно быстро, то ощущения возвращаются куда медленнее.
Дело в том, что наши тактильные ощущения зависят не только от, скажем, рецепторов на коже, но и от обработки сигналов в головном мозге. После потери конечности мозг быстро находит новое применение нейронам, ранее «обслуживавшим» ныне отсутствующую конечность. Так, исследование доктора Фрейя показывает, что та область мозга, которая ранее управляла правой рукой, стала отвечать за толчковые движения, выполняемые левой. Сканирование мозга показывает, что теоретически нервные связи можно восстановить и несколько лет спустя после того как человек лишился руки. Но мало известно о том, как именно происходит перестройка нейронных связей во время восстановления ощущений в конечностях.
Чувствительность тактильных окончаний имеет не только функциональный смысл. Другое исследование, также представленное на заседании, продемонстрировало связь тактильных ощущений с эмоциями человека. Одни наши нервы отвечают за ощущения боли и зуда. Совершенно другие реагируют на ласковые прикосновения. Последние были в основном изучены у животных. У мышей они найдены на спинке, чуть меньше на конечностях, совсем их нет на лапках. У человека они найдены только в участках тела, покрытых волосами. Ранее исследователи измеряли чувствительность нервных окончаний в предплечье человека. Испытуемые говорили о приятных ощущениях после легкого покалывания в этой области, но никогда не чувствовали быстрое легкое прикосновение.
Гипотеза, сформулированная доктором Сюзанной Уокер (Susannah Walker) из Ливерпульского университета имени Джона Морриса (США) гласит, что эти нервы эволюционировали для социальных связей. Во время эксперимента, который проводила доктор Уокер, людям показывали видеозапись, на которой человека нежно поглаживают. Почти все испытуемые сообщили после просмотра, что они представляли приятные тактильные ощущения в основном в области спины и плеча, в меньшей степени в предплечье и ладони. Мгновенные поглаживания люди не считали приятными. По словам исследователя, это свидетельствует о том, что наш мозг анализирует не только наши собственные ощущения, но и проецирует ощущения тех, кого мы видим вокруг себя.
Наконец, тактильные ощущения играют очень важную роль в развитии ребенка. Доктор Уолкер сообщила, что следующим шагом станет исследование работы этих нервов у детей с нарушениями развития, такими как аутизм.
Исследования процесса обработки сигналов в головном мозге важно и в контексте активной разработки искусственных конечностей: недавно портал Научная Россия рассказывал о разработке протеза руки, способного передавать человеку тактильные ощущения.
Источник
Ученые доработали чувствительный протез руки
Кадр из репортажа IEEE Spectrum
Американские исследователи разработали и испытали бионический протез кисти, который позволяет человеку чувствовать, к чему он прикасается. О процессе разработки, возможностях и перспективах устройства рассказал в IEEE Spectrum глава Лаборатории функциональных нервных интерфейсов в Университете Кейс-Уэстерн Дастин Тайлер (Dustin Tyler).
Для этого сотрудники лаборатории оборудовали обычный бионический протез сенсорной гаптической (предназначенной для передачи тактильной чувствительности и положения кисти) системой. Для этого в предплечья добровольцев имплантировали специально разработанные плоские электродные манжеты, охватывающие снаружи крупные нервы: локтевой, лучевой и срединный. В каждой их этих манжет находится восемь контактных точек, связанных с отдельными каналами стимуляции.
В различные части протеза поместили датчики, реагирующие на прикосновение. Их через компьютер соединили с имплантированными электродами так, чтобы информация от разных датчиков подавалась на нерв по разным каналам.
Плоская электродная манжета
Tyler Lab / The Cleveland VA Medical Center
Tyler Lab / The Cleveland VA Medical Center
В результате многолетних экспериментов и настройки системы доброволец Игорь Спетик (Igor Spetic) смог выполнять с помощью протеза различные тонкие действия, например, оторвать хвостик от вишни, даже с завязанными глазами. При выключенной гаптической системе ему это удается в 43 процентах случаев, а при включенной число успешных попыток достигает 93 процентов. По словам самого Спетика, благодаря этой системе он ощущает протез не как инструмент, а как собственную руку.
Работы по разработке протеза, максимально напоминающего по функциональности человеческую кисть, ведутся в Кейс-Уэстерне и еще нескольких кливлендских научных центрах с 2012 года. Тем не менее, по словам Тайлера, разработка пока далека от совершенства.
В настоящее время его лаборатория создает имплантируемые манжеты нового поколения, содержащие в четыре раза больше электродов. Это необходимо для передачи широкого спектра ощущений: не только тактильных, но и температурных, болевых, проприоцептивных (чувство положения сустава). Но главное — систему необходимо сделать полностью имплантируемой, без необходимости проводного подключения к внешнему компьютеру.
По словам Тайлера, сделать это непросто, поскольку у системы 16 записывающих каналов и 96 каналов стимуляции, при этом она должна работать годами имплантированной в человеческую руку. Тем не менее, рабочий прототип автономной системы разработчики рассчитывают создать к 2019 году.
Источник