Екзоскелети, кібернітичні кінцівки та біонічні лінзи – революція в протезуванні

Кібернетичні руки, ноги та очі, що здатні замінити втрачені або не функціонуючі  кінцівки й органи зору, вже зараз проходять клінічні випробування. А їх масове виробництво і застосування може початися вже в найближчі роки.

Кіберпротези – це продукт кількох дисциплін: медицини, нейрофізіології, інженерії та програмування. Це протези нового покоління, в які вбудовані механізми автоматичного управління.

Кіберпротезуванням займається наука біомехатроніка, що об’єднала в собі медицину і робототехніку, і яка по праву вважається одним з найперспективніших напрямів розвитку високих технологій. Хоча біомехатроніка тільки починає своє становлення, вченим з різних країн світу вже вдалося досягти багато чого в цій сфері. На сьогоднішній день, в планах вчених те, що аугментація людини повинна включати не просто заміну хворого органу кіберпротезом, а отримання з його допомогою надлюдських здібностей (сили, спритності та відчуттів).

До недавнього часу протези прикріплялися до людського тіла механічно і не мали ніякого зв’язку з нервовою системою. Вони могли згинатися в своїх залізних шарнірах-суглобах, але для виконання кожного руху власнику потрібно було тим або іншим чином регулювати поведінку свого протеза, вручну забезпечуючи зворотний зв’язок. Таким чином людина сигналізувала своїй нозі, що попереду калюжа і її потрібно обійти, а руці – що потрібно акуратно взяти яйце і приготувати яєчню або, навпаки, міцно затиснути в руці інструмент. Щоб навчити людину керувати новою кінцівкою таким чином, потрібен довгий час, та й набір команд керування досить обмежений, тому дрібна моторика залишає бажати кращого.

Таким чином, довершені кіберпротези при всіх своїх автоматичних механізмах повинні мати систему управління безпосередньо від мозку. До теперішнього часу розроблена спеціальна технологія – інтерфейс «мозок – комп’ютер», що дозволяє на основі реєстрації біопотенціалів мозку зчитувати найпростіші команди людини (наліво-направо, вперед-назад і так далі). Перетворені в сигнали для механізмів протеза, вони дозволяють перемикати режими його активності. Таким чином, людина може прямо по ходу руху природним чином, тобто уявними командами, регулювати функціонал протеза в залежності від характеру місцевості і мети свого руху, не використовуючи для цього якісь додаткові засоби управління.

Як відбувається процес розшифровки мисленнєвих команд?

Попередньо людині пропонується багато разів подумки відтворювати потрібні рухи, при цьому алгоритмічні системи розпізнавання образів знаходять відповідність між цими намірами і певними ознаками в електричної активності мозку людини. Натреновані таким чином алгоритми надалі, вже при вільному прояві намірів людини по ходу руху, з надійністю визначають ознаки того чи іншого наміру в корекції руху, які тут же транслюються до протезу як команди для перемикання його автоматики в потрібний режим: рух вгору по сходах , поворот направо і так далі.

Кібернитичні руки

Довгий час протези кінцівок представляли собою примітивний муляж, рухати яким було практично неможливо. Провести мікрореволюцію в протезуванні рук вдалося шотландській компанії Touch Bionics. Її кіберпротез i-Limb повертає людині можливість використовувати руку: носити тяжке і хапати пальцями дрібні предмети.

Для установки i-Limb не потрібна хірургічна операція: кіберпротез керується за допомогою датчиків, приєднаних до м’язів передпліччя. Відповідно, щоб поворушити кіберрукою досить напружити м’язи так, якби це була справжня рука.

Власники i-Limb стверджують, що часом виникає відчуття, ніби кіберпротез – це їх справжня рука. Звичайно ж, це відчуття оманливе і насправді його формує мозок на основі колишніх спогадів. Кіберпротез i-Limb є одним з найдоступніших, але далеко не найбільш високотехнологічним.

Великі надії американське оборонне агентство DARPA покладає на кіберруку власної розробки, яка керує не м’язами передпліччя, а мозком. Для цього в мозок імплантується мікрочіп, який реєструє сигнали нейронів і передає їх протезу. Головна перевага проекту DARPA – висока точність рухів, що дозволяє маніпулювати чим завгодно, хоч музичними інструментами.

Фінансує DARPA і альтернативний проект по створенню кіберруки Deka Luke Arm, автором якого є американський винахідник Дін Кеймен. На його боці модульна конструкція, яка дозволяє легко підлаштовувати кіберпротез під потреби конкретного користувача. Керуватися Luke Arm може тією частиною тіла, якою забажає власник, наприклад ступнею. Тобто щоб рухати кіберрукою, досить лише  притупувати ногою.

У тих же випадках, коли рука не втрачена, але через проблеми з нервовою системою втратила можливість рухатися, на допомогу прийде Possessed Hand. Пристрій одягається на руку і стимулює м’язи згідно заданої програми, а тому може допомогти і здоровим людям. Наприклад, бажаючим навчитися грати на скрипці, ліпити з глини або жонглювати кулями. А це вже є, по суті, аугментація людини, при якій, що важливо, не доводиться жертвувати здоровою кінцівкою заради кібернетичної, нехай навіть заради більш досконалої.

Кібернетичні ноги

З інженерної точки зору кіберпротези ніг створити простіше, адже в даному випадку не потрібно імітувати точні рухи пальців. Але є й інша складність: потрібна ефективна амортизація, інакше при швидкій ходьбі людину буде сильно хитати.

Складну за своєю конструкцією кібернетичну ногу створили в американському Університеті Вандербільта. Складається вона з великої кількості сенсорів і моторів. Перші визначають положення ноги в просторі, а другі у відповідь рухають штучними суглобами.

Такий кіберпротез дозволяє з легкістю сідати і вставати, а також ходити по сходах, на що не здатні більшість аналогів. Альтернативна розробка – кіберпротез Power Foot – здатен імітувати натиск людської ноги. Її творцем є Хью Херр, професор Массачусетського технологічного інституту. Він залишився без обох ніг, через що випробовує Power Foot особисто на собі.

Ще одним напрямком розвитку кіберпротезів ніг є змінні насадки для спорсменів. Так, південноафриканський бігун Оскар Пісторіус з пружними протезами Flex-Foot бере участь в змаганнях нарівні зі здоровими спортсменами і навіть зумів виступити на Олімпіаді-2012 в Лондоні. Це ще раз доводить можливості сучасної біомехатроніки і силу людського духу.

Що буде далі?

Крім розробок зі створення протезів сьогодні активно ведеться робота і по конструюванню екзоскелетів, які багатьма розглядаються як вихід сфери протезування на новий рівень.

Екзоскелети, на відміну від протезів, є пристроями, що призначені для збільшення сили м’язів і поповнення втрачених функцій людини за рахунок створення привідних елементів та зовнішнього каркаса. Такий пристрій для виконання своїх функцій повинен повністю повторювати біомеханіку людини.

Головним напрямком розробок є військове застосування екзоскелетів. Мета – створення броні, яка поєднала б в собі вогневу міць і бронювання танка, рухливість і швидкість людини, і в кілька разів збільшила силу того, хто використовує екзоскелет.

Іншою можливою областю застосування екзоскелетів є допомога травмованим людям і людям з інвалідністю, людям похилого віку, які в силу свого віку мають проблеми з опорно-руховим апаратом. Модифікації екзоскелетів, а також окремі їх моделі, можуть надавати значну допомогу рятувальникам при розборах завалів зруйнованих будівель. При цьому екзоскелет може захистити рятувальника від падіння уламків.

У наш час великою перешкодою для початку виробництва повноцінних екзоскелетів є відсутність відповідних джерел енергії, які могли б протягом тривалого часу дозволити пристрою працювати автономно.

Ще одним футуристичним варіантом апгрейду людини є створення кібернетичних очей.

До повноцінної заміни ока  ще дуже і дуже далеко, але робота в цьому напрямку йде повним ходом. У разі проблем з центральним зором може допомогти вбудований прямо в око мініатюрний телескоп під назвою CentraSight від компанії VisionCare. Він перенаправляє зображення на здорові ділянки ока, що відповідають за периферійний зір. Правда, кілька місяців йде на навчання людини користуватися периферійним зором замість центрального.

Міністерство енергетики США фінансує проект по створенню штучної сітківки Argus. Рішення складається з окулярів з камерою і передавачем, який транслює зображення на електроди на задній стінці ока. Але біда в тому, що електроди поки не здатні передавати в мозок чітке зображення. Картинка виходить чорно-білою і крупнозернистою.

Найреальнішим варіантом на сьогодні є створення біонічної лінзи корпорацією Ocumetics Technology Corporation.

Винайдена біонічна лінза, може радикально покращити зір, запобігти катаракті та забезпечити нові способи бачити світ. В результаті, людство зможе відмовитися від концепції “поганого зору” або взагалі покращити зір до 20/20.

Уявіть собі, що ви дивитеся на годинник, який стоїть в трьох метрах від вас, і ясно, в деталях здатні його розглянути. З біонічною лінзою, як обіцяють виробники, відстань чіткого бачення збільшиться до 30 метрів, а на дуже близьких відстанях лінза і зовсім матиме надздібності. Якщо ви будете пильно вдивлятися в піднесений до очей палець, то зможете розгледіти навіть клітини шкіри.

У світі є перспективи використання технологій мисленнєвого управління автоматикою не тільки для пацієнтів, які втратили певні органи. Можна, наприклад, винести таке управління за тіло людини: управляти зовнішніми виконавчими пристроями. Можливо, це буде хорошим рішенням для різних сфер цивільної і військової індустрії, наприклад для віддаленого управління різного роду кібернетичними пристроями – від маніпуляторів до роботів.