Бионическая рука Вebionic. Бионические руки: история, будущее и реальность
Современная наука и медицина позволяют существенно облегчить жизнь больным, которым ранее не давалось никаких перспектив на улучшение самочувствия и реализацию в социуме. В этой статье мы ознакомим вас с 6 удивительными техническими достижениями современной медицины. Возможно, эта информация будет полезна для вас, и вы сможете воспользоваться предложенными новинками технического прогресса, делающими жизнь больных более насыщенной, позитивной и свободной.
Бионические протезы
Упоминание о бионических протезах вызывает у многих ассоциации с фильмом «Звездные войны». Искусственная рука может функционировать как настоящая, глаз «видит» и мозг «считывает» полученную информацию, ухо воспринимает все звуки – это далеко не весь перечень таких протезов.
Слово «бионический» произошло от слова «бионика», и оно обозначает использование технических устройств, способных воспроизводить структуры живой природы. Одним из направлений этой отрасли является создание протезов и имплантатов, созданных на основе множества наук – химии, физики, биологии, кибернетики, электроники, навигации и др. Они способны воссоздавать функции утраченных органов и конечностей.
Бионические руки
Создание этих протезов заняло много времени и сил, т. к. при создании искусственной конечности трудно воспроизвести такие деликатные движения, которые способна выполнять кисть человека. Это объясняется тем, что на кончиках пальцев расположены самые чувствительные нервные окончания, обеспечивающие предельную точность движений.
Пока ученые не смогли на все 100% повторить естественные возможности руки человека, но существует несколько интересных попыток, максимально приближающих функции протеза к обычной верхней конечности. Такие бионические устройства разрабатываются различными компаниями.
Протезы i-LIMB
Эти бионические руки выпускаются компанией Touch Bionics и изначально разрабатывались для ветеранов войны. Они способны брать и удерживать предметы, пальцы могут двигаться по-отдельности, воспроизводя несколько записанных стандартных движений, сила сжатия предметов может быть различной.
Работа протеза основана на свойствах микроэлектрического устройства, которое считывает биоэлектрические потенциалы с уцелевшей области руки и передает их на программное устройство, обеспечивающее дальнейшее функционирование бионической верхней конечности. В компьютерной системе содержится целый ряд стандартных движений и захватов.
Протезы Bebionic3
Эта разновидность миоэлектрического протеза аналогична бионической руке i-LIMB. Она способна выполнять 14 разных захватов и движений для воспроизведения разных действий. Как и протез i-LIMB, эта бионическая рука в процессе доработок, и после них может стать полноценной заменой настоящих верхних конечностей.
Проект биоруки ученых Технического университета Чалмерса
Ученым удалось создать биопротез, способный работать частично от миоэлектрики и частично от нервной системы инвалида. В руку пациента могут имплантироваться электроды, способные считывать производимые головным мозгом биоэлектрические сигналы. После этого сигналы поступают в компьютерное устройство, и система перенаправляет их в импульсы, управляющие моторами. В результате обладатель биоруки может управлять и всеми пальцами одновременно, и двигать отдельные пальцы.
Разработчики этой модели бионических протезов проводят работу над совершенствованием этой биоруки. Их стремления направлены на создание искусственной верхней конечности, которая будет управляться исключительно нервными сигналами, вырабатываемыми головным мозгом.
Разработка нейробиолога Эндрю Швартца
Благодаря этой разработке удалось провести операцию, которая была направлена на восстановление движений рукой парализованной женщины, страдающей от тяжелого нейродегенеративного заболевания, приведшего у полной утрате движений во всем теле. В ее мозг были имплантированы электроды, способные управлять биорукой.
Тактильные сигналы прототипа нового биопротеза руки передаются специальными сенсорами, встроенными в кончики искусственных пальцев, запястья и ладони. Такое нововведение позволяет человеку чувствовать не только расположение протеза, но и сжимаемые им предметы. Пока эти ощущения не могут в полной мере сравниваться с естественными ощущениями человека, а материал имплантата может находиться в организме человека не более месяца. Однако первые шаги к созданию идеальной бионической руки уже сделаны.
Бионические ноги
Несмотря на тот факт, что создание бионической ноги более легкая задача, чем разработка искусственной руки, пока ученые не смогли полностью приблизиться к естественному аналогу. Такие работы активно проводятся, и на протяжении нескольких лет ученым удалось создать ряд удачных бионических протезов нижних конечностей.
Университет Вандербильта проводит усиленную работу над созданием двигателей для ступни и колена. Первым человеком, испытавшим возможности такой бионической ноги, стал 23 летний студент Крейг Хатто, который лишился конечности в результате контакта с акулой. Анализ видеоматериалов о его походке позволяет делать выводы, что молодой человек может вполне хорошо передвигаться по различным поверхностям. Его хромота заметна лишь слегка, и Крейг смог пройти самостоятельно расстояние в 14 км. Протез может реагировать на самые минимальные изменения в условиях движения, т. к. он оснащен внушительным компьютерным и программным обеспечением.
Еще одной удачной разработкой ученых из Университета Вандербилта и Реабилитационного центра института Чикаго стала бионическая нога для Зака Воутера. Благодаря ее техническим возможностям он смог самостоятельно подняться на 103-этажный небоскреб. Секрет характеристик этой модели бионической ноги кроется в том, что протез может управляться сигналами, посылаемыми из головного мозга, и соединен с нервными окончаниями ноги.
Кроме вышеперечисленных бионических протезов существуют и другие достойные разработки искусственных нижних конечностей. Одной из них является бионога Tibion. Ее конструкция максимально приближена к параметрам скелета естественной ноги. Эта разработка была создана для пожилых больных с обездвиженными нижними конечностями (например, после кровоизлияния в мозг в результате ).
Слуховые аппараты
С помощью кохлеарных имплантов можно вернуть слух многим пациентам с тугоухостью. Бионическими протезами можно считать и кохлеарные имплантаты, вживляемые в органы слуха. Они представляют собой устройства, состоящие из микрофона, звукового процессора и передатчика звукового сигнала, который может фиксироваться путем прикрепления к волосам или на кожу. Приемник, входящий в состав этого устройства, имплантируется под кожу пациента, а ряд электродов вводится во время хирургической операции внутрь слуховой улитки.
Аппараты этого типа изобретены уже давно: впервые они устанавливались уже в 1951 году. Первый кохлеарный имплантат был установлен в 1978 году. Он был разработан в Мельбурне и устанавливался людям с тяжелыми нарушениями слуха сенсоневрального происхождения. К 2000 году благодаря этой разработке ученых частично вернуть слух удалось тысячам больных, в т. ч. и детям до года. Сейчас такие операции могут проводиться и в России.
Искусственное сердце
С 1950 года начали проводиться первые эксперименты по созданию искусственного сердца. Первые имплантации такого бионического протеза были проведены в 1982 году. Jarvik-7 – результат научных исследований доктора Ярвикова – был пересажен двум пациентам. Тогда они считались успешными, т. к. могли продлевать жизнь больных даже на непродолжительные сроки. Один из них смог прожить после выполнения пересадки 112 дней, а второй – 620 дней.
Множество попыток заместить естественное сердце искусственным привело ученых к тому, что они смогли создавать модели, способные стать временным вариантом для поддержания жизни людей, нуждающихся в пересадке сердца от донора. Сейчас к числу таких бионических сердец относят такие два устройства: SynCardia temporary Total Artificial и AbioCor Replacement Heart. Лидером среди этих разработок стало искусственное сердце SynCardia temporary Total Artificial, т. к. первая имплантация второго варианта потерпела фиаско.
При выполнении пересадки искусственного сердца возможно появление такого риска для больного как отторжение устройства. Оно вызывается кардиопротезным психопатологическим синдромом и заключается в чрезмерной фиксации внимания больного на работе клапана, сопровождающейся характерным слышимым звуком. В результате пациенты пугаются такого сочетания звука и осознания того, что внутри них находится инородный механизм.
Бионический глаз
Одним из самых удивительных бионических протезов можно по праву считать искусственный глаз. Сложность его работы оправдывается тонким устройством естественного органа зрения.
Argus II
Принцип работы такого устройства как Argus II заключается в установке антенны в область глазного яблока и на специальные очки, снабженные камерой и соединенные с компьютером. Полученный визуальный сигнал фиксируется камерой и поступает в обработку на компьютерное устройство. После обработки он переводится на приемник и направляется к электродам, стимулирующим уцелевшие клетки зрительного нерва и сетчатки.
Argus II включает в себя 60 электродов, и они позволяют больному различать формы, очертания и цвет предметов и воспринимать шрифт больших размеров. Полностью восстановить зрение такое устройство пока не способно, но его использование позволяет человеку получать ориентацию в пространстве и социализироваться в более полной мере.
Bio-Retina
Этот искусственный глаз включает в себя сенсор, разрешение которого составляет 576 пикселей, его имплантируют в функционирующую сетчатку и соединяют с глазным нервом. Бионический протез преобразовывает данные пикселей в электрические импульсы и головной мозг. Bio-Retina работает через специальные очки, проекцирующие инфракрасное изображение на сенсорное устройство, подпитывающееся от солнечной батарейки.
Бионический миокард
Этот бионический протез создан израильскими учеными, и он может помочь множеству людей, страдающих от , избежать наступления смерти в ожидании трансплантации сердца от донора. Разработчикам удалось воссоединить ткань живого миокарда с наноэлектроникой и полимерными материалами. В результате полученные «заплатки для сердца» позволяют заменять существенно поврежденные участки этого жизненно важного органа. Ученые добились того, что такие биопротезы позволяют не только готовить больного к необходимой трансплантации, но и лечат сердце.
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.
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.
Актриса Angel Giuffria (Голодные игры: Сойка-пересмешница)
У 15% людей на планете есть нарушения функций и структур организма, которые препятствуют физической активности и мешают социальной жизни, и больше 50 миллионов человек в год становятся инвалидами. Прямые и косвенные потери из-за этой проблемы составляют около 6% - в 2015 году это примерно 4,4 триллиона долларов. Это сравнимо с годовыми потерями мировой экономики от «великой рецессии» 2008 года. И это втрое больше годового ВВП России.
Качественные и функциональные протезы могли бы существенно уменьшить эти потери, но доступные протезы конечностей в большинстве своём, пишут «Известия» со ссылкой на исследование Высшей школы экономики, - это «примитивные малофункциональные изделия с плохим дизайном».
Благодаря современным материалам, сбалансированному размещению двигателей, датчикам силы прикосновения и вместительным аккумуляторам разработчики протезов смогли создать бионические руки, которые способны на большую часть повседневных действий. Одни модели приближены к реальной кисти - гибкий блок лучезапястного шарнира позволяет Michelangelo сгибаться в запястье, а другие - к роботам из научной фантастики, как BeBionic, которой из-за беспроводного управления смогли добавить функцию вращения на 360 градусов. Главным недостатком современных протезов пока остается цена.
BeBionic (компания RSLSteeper)
Компания RSLSteeper занимается протезированием более 90 лет. Она известна широкой общественности благодаря линейке бионических рук BeBionic. Выход на рынок первой версии протеза анонсировали в 2010 году на International Society for Prosthetics and Orthotics в Германии. Протез имел четыре функциональных хвата. Большой палец выполняет роль «переключателя» между их группами.Вторая версия руки BeBionic получила интересный дизайн и большее количество хватов. Появился специальный хват для компьютерной мыши - разработчики предусмотрели двойной клик. Сенсоры позволяют руке подстраиваться под форму объекта в руке пользователя.
BeBionic 3 появилась уже в 2012 году. В видео ниже Найджел Экленд показывает различные хваты, на которые способна рука.
На 30% меньше по размеру, чем BeBionic 3, и весит бионическая рука 390 граммов. На кончиках пальцев руки есть подушечки для работы с мелкими предметами. Первым пользователем BeBionic Small стала Ники Эшвелл из Великобритании.
«На полном заряде протезы проработают в течение дня. Вечером перед сном их нужно снимать и ставить батарею на зарядку», - рассказали в BeBionic. Это один из минусов - людям приходится снимать устройства при отходе ко сну. Гарантия на такую бионическую руку - один год, но можно расширить её до пяти лет.
Каждый палец руки имеет собственный мотор, расположенный так, чтобы уравновесить само устройство. Микропроцессор следит за положением каждого пальца. Всего есть 14 хватов для ежедневных дел. Пользователь может контролировать скорость и силу хвата, чтобы, например, не разбить яйцо или не сломать одноразовый стаканчик. В руке есть функция «автозахвата» - если процессор понимает, что предмет сейчас выпадет из протеза, он усиливает хват автоматически.
Облегчить протез позволяют материалы: это алюминиевые детали и углепластиковый корпус BeBionic. При этом рука BeBionic 3 выдерживает нагрузку до 45 килограммов. Благодаря беспроводной передаче данных разработчикам удалось добавить интересную функцию: рука крутится на 360 градусов.
Touch Bionics
BeBionics благодаря своей работе со СМИ и на различных мероприятиях сейчас, возможно, наиболее узнаваемый бренд. Но рука от RSLSteeper не была первой бионической рукой. Touch Bionics ещё в 2007 году начала устанавливать первую в мире руку такого типа. Миоэлектрический протез i-Limb уже тогда позволял с помощью датчиков, установленных всего у двух мышц, работать с различными хватами.В 2014 году появилась версия i-Limb Revolution. Протезы такого типа позволяют делать множество вещей, которые для людей с двумя руками кажутся абсолютно обычными, простыми: складывать вещи в чемодан и витамины в таблетницу, держать пакет с продуктами и открывать ящик комода, собирать Lego двумя руками и завязывать шнурки.
Когда мы делаем что-то руками, мы часто используем запястья. Часто протезы не дают возможности повторять этот трюк с искусственной рукой. В Touch Bionics эту проблему попытались решить с помощью мобильного запястья протеза, позволяющего двигать кисть на 40 градусов относительно стандартного положения в обе стороны.
В 2015 году Touch Bionics представили i-Limb Quantum, более футуристическую и одновременно более функциональную руку. Устройство получило 24 предустановленных хвата и возможность настроить ещё 12 хватов под владельца.
Владельцы протезов из линейки i-Limb могут использовать мобильное приложение для выбора хватов, настройки их силы и программирования новых движений. Важно заметить, что этот протез имеет наибольшее количество хватов из всех, что представлены в этой статье. Только у этой бионической руки есть функция смены хватов с помощью жестов: запрограммированный хват включается при движении руки в одном из четырёх направлений.
Touch Bionics на YouTube выкладывает интересные ролики с различными вещами, которые люди делают без протезов и с ними. Например - приготовление еды с i-Digits - протезом ладони и пальцев.
У Touch Bionics, основанной в Шотландии 2003 году, выручка к 2015 году составила 15 миллионов долларов. Особенно высокими были продажи в Германии и Франции. Исландская Ossur в 2016 году купила эту компанию за 27,5 миллиона фунтов. По мнению экспертов, это может быть связано с не самой удачной бизнес-моделью, по которой компания делала дорогие сверхсложные устройства.
Ossur является серьёзным игроком на рынке бионических протезов нижних конечностей - рынка гораздо большего объёма. С помощью Touch Bionics она расширила свои компетенции в области протезирования.
Ottobock
Один из лидеров мирового рынка протезов - немецкий концерн Ottobock . В России доступны несколько разработок от этого концерна.Линейка MyoFacil - миолектрические устройства со скромным набором функций. Они предназначены для людей с ампутированными ниже локтя руками. На видео ниже - человек без обеих кистей с такими протезами, делающий обычные повседневные дела - он бреется, чистит зубы, заправляет кровать, завтракает со своей девушкой, гладит одежду и водит автомобиль.
«Протез MyoFacil стоит порядка 400-500 тысяч рублей, это зависит от предприятия, которое устанавливает протез, и от расходников. Это простое устройство начального уровня», - говорят в компании.
Скорость схватывания такой рукой достигает 300 мм в секунду. Протез позволяет держать мелкие и крупные детали.
Минус в том, что хват всего один. По сути это просто миоэлектрический «крюк» с перчаткой.
Передовая разработка компании - Michelangelo. На видео ниже кто-то сравнил протез кисти Michelangelo с i-Limb не в пользу последнего. У Michelangelo есть семь основных хватов, позволяющих в том числе держать мелкие и плоские предметы.
«Готовый протез стоит около 2-2,5 миллиона рублей, это зависит от комплектации. Ведь период службы изделия - 3 года, а перчатку на нём необходимо менять раз в полгода. Можно приобрести комплект с одной перчаткой, но этого мало. Такие расходники увеличивают стоимость. Кроме этого, на стоимость влияет и сложность работы – она зависит от культи пациента», - рассказывают в компании.
Рука построена на системе Axon-Bus, технологическая основа которой создавалась для аэрокосмической и автомобильной промышленности, позже адаптированной Ottobock к протезированию. Запястье благодаря шарнирному соединению по технологии AxonWrist можно сгибать и поворачивать.
Использование протеза помогает пациенту держать правильную осанку, избежать искривления позвоночника в одну сторону. Это важно и во время выполнения повседневных действий, и во время ходьбы. В расслабленном состоянии во время ходьбы бионическая рука ведёт себя подобно естественной - покачиваясь. Это позволяет снизить эффект ампутации на осанку, вызываемый неестественными компенсирующими движениями.
В случае с этим протезом, существующий «баг» человеческой руки с пальцами остаётся: два мотора обеспечивают движение большого, указательного и среднего пальцев, а безымянный и мизинец движутся за ними. На кончиках пальцев - мягкий материал, позволяющий работать с мелкими предметами.
Протез обеспечивает семь хватов, включая открытую ладонь.
«Как правило все наши изделия при активном использовании работают не менее суток на одном заряде. Рынок верхних конечностей безусловно меньше рынка нижних конечностей. В России это, возможно, 5-7 тысяч протезов в год. Какое количество биоэлектрики – сложно сказать. Под него попадает и MyoFacil с минимальным набором функций», - рассказали в российском представительстве компании.
На вопрос о положении дел в России представитель Ottobock ответил, что «рынок не так сильно развит не из-за отсутствия комплектующих, а из-за ограниченного количества специалистов, которые умеют делать такие продукты».
Недостатки бионической руки
БатареяНедолгое время работы на одном заряде аккумулятора - это недостаток большей части современных гаджетов. Бионические руки при активном использовании могут проработать в течение дня, но этого мало. Как большая часть людей привязана к розеткам необходимостью подзаряжать смартфоны и ноутбуки, так и у людей с протезами возникают дополнительные неудобства при, например, путешествиях. Можно использовать второй-третий аккумуляторы.
Отсутствие защиты от воды
Ещё один недостаток - как правило, такие устройства не работают в воде. С ними нельзя купаться, принимать душ. Их важно защищать с помощью специальных перчаток, чтобы грязь не попала внутрь устройства. Возможно, в будущем появятся бионические руки с полностью герметичным корпусом, позволяющим снимать руку очень редко - только для планового обслуживания.
Лаги при управлении
Нельзя сказать, что протезы работают медленно. Иногда они способны на высокую скорость, они могут быть сильнее, чем вторая рука человека, который носит один бионический протез. Но при управлении с помощью миоэлектрических датчиков пользователи имеют лаг: сначала мозг передаёт команду в мышцу у датчика, затем датчик передаёт команду двигателю, и после этого меняется жест. Так что реакция - далеко не самая высокая.
Эту проблему, но с протезами ног, успешно
Человечество со времен средневековья и по сегодняшний день стремится создать протезы, наиболее похожие на утраченную конечность как внешне, так и функционально. Будущее - за бионическими протезами, которые механически наиболее приближены к функционалу тела здорового человека, однако проблема качественного управления такими устройствами на сегодняшний день до сих пор не имеет готового решения.
За последние 5 лет появилось много компаний, занимающихся разработкой бионических протезов. В основном фокус делается на дешёвые бионические устройства из пластиковых деталей, выполненных в том числе при помощи технологий 3D печати. Есть уже готовые продукты, например, от OpenBionics, которые сейчас находятся на стадии одобрения в FDA . Механическая часть у таких игроков на рынке, как OttoBock или iLimb , тоже развивается, но это развитие направлено не на удешевление протезов, а скорее на механику движений (плавность, естественность, точность). При подобном подходе функциональная часть протеза развивается, но управляемость остается прежней.
От Крюка до бионики
История протезов начинается еще в давние времена - наиболее древним считается протез глаза , который относят к III тысячелетию до н. э. В средние века стали появляться хорошо известные «пиратские» деревянные опоры вместо утраченных ног или крюки вместо кисти. Такие протезы выполняли ограниченный ряд функций, в которых нуждался конкретный человек, исходя из его рода деятельности. Подобный подход можно встретить в протезировании и сегодня.
Когда речь идет о реабилитации после ампутации руки, наиболее простым решением является косметический протез. Помимо эстетического назначения, такие протезы не выполняют практически никаких функций и не имеют преимуществ по сравнению со средневековыми протезами-крюками.
Другое решение - это тяговые протезы. Их кисти уже могут сжиматься и разжиматься за счет, например, движений лучезапястного или локтевого сустава оставшейся части руки. Эти движения руководят механическим натяжением нитей, приводящих «пальцы» в действие. Такая кисть «умеет» только сжимать кулак и разжимать его. Она отличается быстродействием и неплохой надежностью. Тяговые протезы разрабатываются отечественными инновационными компаниями, также их можно сделать самостоятельно по инструкции (что практикуется и в странах третьего мира).
Третий класс - механические протезы, управляемые мышечной активностью. Такие устройства, как правило, выполнены из металла, имеют большую прочность, но обладают только двумя степенями свободы - сжатие и разжатие . Управлять механическим протезом не очень удобно: для того, чтобы разжать кулак, нужно напрячь внешнюю сторону предплечья, а для того, чтобы сжать - наоборот, напрячь внутреннюю сторону предплечья. Это так называемый триггерный способ управления: либо мышечная активность есть - тогда движение активируется, либо мышечной активности нет. К сожалению, такая система управления может приводить к ложным срабатываниям. Механические протезы обладают «внешностью» косметических и функциональностью тяговых, питаются от аккумулятора, который размещается на протезе. Металлический каркас и мотор, приводящий в движение кисть, позволяют называть конструкцию надежной: например, если требуется держать какой-то предмет, механическая рука сможет сжать его сильно и надолго, и это практически не потребует усилий со стороны человека. Неудобное управление и ограниченная функциональность - основные недостатки механических протезов.
Последний, четвертый класс - бионические протезы, в которых каждый палец управляется отдельным мотором - это дает большее преимущество в плане манипуляций с предметами. Система управления бионической кистью такая же, как и у механической, на основе сжатия и разжатия - поэтому этими протезами сложно пользоваться. Для облегчения использования добавляют какие-либо внешние переключатели - рычажки на протезе или приложения на смартфоне.
Дороговизна и малофункциональность
«Бионичность» подразумевает помимо восполнения механических функций потерянной руки, естественность её использования. Разработчики сфокусированы на оптимизации строения протезов - нужны максимально прочные, эргономичные, функциональные с точки зрения механики решения. Тем не менее, задача обеспечения максимальной функциональностью управления, не имеет готового решения на рынке. А неудобные и ограниченно функционирующие протезы стоят от $30 000 до $70 000 .
Все сегодняшние R&D проекты сфокусированы на двух направлениях: удешевление самого протеза и улучшение системы управления . Если для первой проблемы существуют более-менее подходящие решения, то в области разработки систем управления все только начинается.
В идеале человек, пользующийся протезом, не должен замечать системы управления. То есть интерфейс между человеком и протезом использует естественные механизмы управления, которым человек обучался ещё в детстве. Таким образом, остро стоит вопрос, какой интерфейс взаимодействия между человеком и протезом стоит использовать и как подстроить это взаимодействие под индивидуальные особенности каждого?
Совершенное взаимодействие с человеком
Для удешевления производства используются технологии 3D печати. Стоимость таких протезов невысока за счет использования пластиковых деталей, а компаний, которые занимаются 3D печатью протезов, достаточно много по всему миру, в том числе и в России. Зарубежные компании создают модели бионических протезов и выкладывают их в открытый доступ, способствуя развитию и доступности протезирования. Другие компании-разработчики оптимизируют и дорабатывают дизайн и механику свободно доступных 3D моделей.
А вот решить задачу по улучшению взаимодействия человека с протезом намного сложнее. Наиболее «естественный» подход - это полноценная трансплантация руки . Мышцы и нервы при этом работают точь-в-точь как в здоровой руке, но процедура весьма дорогостоящая, требующая донорский материал, дополнительную терапию и риски отторжения. Безусловно, за таким методом, в том или ином виде будущее, которое наступит только после революций в смежных областях - лет через 100. Пока актуально создание устройств реабилитации, в достаточной мере восполняющих функции утраченной кисти и позволяющих управлять собой естественным образом.
Можно выделить четыре основных типа взаимодействия человека с протезом:
Первый , наиболее радикальный - разного рода импланты в моторную и сенсорную зоны коры головного мозга. Такой интерфейс обладает теми же недостатками, что и трансплантированная рука. Особенно уместны импланты в мозг в случае, когда по каким-либо причинам нарушена связь головного мозга и руки. В остальных случаях стоит дополнительно оценивать пользу/риск от использования такого интерфейса.
Второй способ управления - использование электроэнцефалографии (ЭЭГ). Метод ЭЭГ основан на регистрации биоэлектрической активности головного мозга, возникающей вследствие распространения потенциала действия по нейронам. Метод считается перспективным, но имеет ряд технических сложностей, которые мешают появлению в продаже интерфейса на его основе. Во-первых, из-за особенностей регистрации карты мозговой активности систему нужно «обучать» заново при перемещении электродов. А во-вторых, сам сигнал очень неустойчив к различного рода электрическим наводкам и помехам.
Третий: имплантация электродов к периферическим нейронам в оставшейся части руки. Такой способ имеет все те же проблемы , что трансплантация и мозговые импланты, к тому же требует длительной и индивидуальной работы врачей.
И последний тип интерфейса - электромиография (ЭМГ). Простейшая его реализация - триггерная - используется в механических протезах, руководя сжатием или разжатием кисти. В бионические протезы внедрена точно такая же система управления. Но, как уже было сказано, ЭМГ в них используется только для двух степеней свободы - сгибание и разгибание пальцев. Также к ним может быть добавлена и третья степень свободы - одновременное напряжение обеих мышц, на которых измеряется ЭМГ активность.
Электромиография - это метод анализа мышечной активности, основанный на измерении разности потенциалов в двух точках, между которыми под кожей по мембранам мышечных волокон распространяется потенциал действия (именно этот потенциал представляет собой распространение волны мышечной активности от зоны, куда поступает потенциал действия моторного нейрона, заставляющей «работать» наши мышцы). Такой способ позволяет записывать сигнал мышечной активности с минимальным уровнем шума. Большая часть движения пальцев и кисти тесно связана с мышцами предплечья. Это легко проверить, положив одну руку на предплечье (чуть ниже локтя) и пошевелив пальцами другой руки - можно почувствовать, как при этом сокращаются различные мышцы предплечья. Использование системы управления, индивидуально настроенной на паттерны движений кисти конкретного человека, приближает нас к созданию естественного интерфейса между человеком и протезом. С одной стороны, он не инвазивен и обладает большой функциональностью, с другой – быстро настраивается и устойчив к внешним воздействиям. Проблемой может стать атрофия оставшихся мышц, однако метод позволяет извлечь максимум сохранившихся естественных паттернов мышечной активности.
Текущий статус разработок в мире
Системы управления протезом также развивается, но компаний, сфокусированных на этой задаче значительно меньше. В основном, разработчики используют уже готовые электромиографические усилители и, получив сигнал, примитивно его обрабатывают. (так или иначе всё сводится к «триггерной» системе, вопрос только в количестве порогов и в количестве каналов записи ЭМГ). В некоторых случаях, прибегают к кластерному анализу, но такое в основном встречается в научных статьях, где также утверждается, что такие методы не приспособлены для использования в реальной жизни за счет изменчивости мышечной активности. В триггерных системах используются смартфоны или иные устройства, переключающих режимы схватов, по аналогии с существующими протезами. Тем не менее, в сочетании с дешевизной 3D печати и схожей системой управления «дорогих» протезов, данные компании займут свою долю на рынке. Существует и другой подход к решению задачи управляемости - более детальная обработка ЭМГ сигнала и выделение паттернов конкретных движений, чтобы впоследствии воспроизводить их на протезе после обучения с помощью machine learning. То есть нужно обучить систему управления каждому индивидуальному движению для конкретного пациента, которое будет воспроизводиться при повторном напряжении мышц, соответствующих конкретному движению. Данное обучение системы управления может происходить в течение 1-2 минут, при этом точность распознавания движений будет зависеть от качества алгоритмов обработки ЭМГ и алгоритмов machine learning и будет составлять не менее 99% в зависимости от многообразия распознаваемых движений. Такая система управления может быть встроена практически в любой бионический протез, что выделит его на рынке среди конкурентов. Компаний, ведущих разработку в этой области, во всем мире не так уж и много. В нашей стране этим тоже занимается ряд компаний (компания «Мионикс», которую представляет автор, - одна из них - Forbes)
Также ведутся разработки систем обратной связи - от вибрационной тактильной обратной связи до искусственной кожи, интегрированной с нервной системой человека. Это отдельный пласт разработок, который безусловно необходим для тонких манипуляций со сложными объектами, например, хрупкими или мягкими. Без обратной связи протез, как реабилитационное устройство, не будет полноценной заменой утраченной конечности. Примечателен факт, что, как правило, разработка обратной связи не пересекается с разработкой улучшенной механики протеза и тем более системой управления бионическими протезами.
Направление бионических протезов развивается во всём мире. Главная цель этого развития - создание готового удобного в управлении протеза, который можно купить, надеть и пользоваться без сложного процесса обучения. К сожалению, в настоящий момент такой продукт не создан, а спрос на него каждый год растёт. Мы верим, что в ближайшем будущем сможем увидеть дешевый протез с удобной, простой и персонализированной системой управления и обратной связью. Такие системы управления также дадут толчок к развитию экзоскелетов, управляемых небольшими мышечными усилиями.
