Экзоскелеты, кібернітичні конечности и бионические линзы – революция в протезировании

Кибернетические руки, ноги и глаза, что способны заменить утраченные или не функционирующие конечности и органы зрения, уже сейчас проходят клинические испытания. А их массовое производство и применение может начаться уже в ближайшие годы.

Кіберпротези – это продукт нескольких дисциплин: медицины, нейрофизиологии, инженерии и программирования. Это протезы нового поколения, в которые встроены механизмы автоматического управления.

Кіберпротезуванням занимается наука біомехатроніка, что о’объединяла в себе медицину и робототехнику, и которая по праву считается одним из самых перспективных направлений развития высоких технологий. Хотя біомехатроніка только начинает свое становление, ученым из разных стран мира уже удалось достичь многого в этой сфере. На сегодняшний день, в планах ученых то, что аугментация человека должна включать не просто замену больного органа кіберпротезом, а получение с его помощью сверхчеловеческих способностей (силы, ловкости и ощущений).

До недавнего времени протезы прикреплялись к человеческого тела механически и не имели никакого зв’язку 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’связь. Таким образом человек сигнализировала 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, требуется долгое время, да и набор команд управления весьма ограничен, поэтому мелкая моторика оставляет желать лучшего.

Таким образом, совершенные кіберпротези при всех своих автоматических механизмах должны иметь систему управления непосредственно от мозга. К настоящему времени разработана специальная технология – интерфейс «мозг – комп’компьютер», что позволяет на основе регистрации биопотенциалов мозга считывать простейшие команды человека (налево-направо, вперед-назад и так далее). Преобразованы в сигналы для механизмов протеза, они позволяют переключать режимы его активности. Таким образом, человек может прямо по ходу движения естественным образом, то есть мысленными командами, регулировать функционал протеза в зависимости от характера местности и цели своего движения, не используя для этого какие-то дополнительные средства управления.

Как происходит процесс расшифровки мыслительных команд?

Предварительно человеку предлагается много раз мысленно воспроизводить нужные движения, при этом алгоритмические системы распознавания образов находят соответствие между этими намерениями и определенными признаками в электрической активности мозга человека. Натренированные таким образом алгоритмы дальнейшем, уже при свободном проявлении намерений человека по ходу движения, с надежностью определяют признаки того или иного намерения в коррекции движения, которые тут же транслируются к протезу как команды для переключения его автоматики в нужный режим: движение вверх по лестнице , поворот направо и так далее.

Кібернитичні руки

Долгое время протезы конечностей представляли собой примитивный муляж, двигать которым было практически невозможно. Провести мікрореволюцію в протезировании рук удалось шотландской компании Touch Bionics. Ее кіберпротез i-конечность возвращает человеку возможность использовать руку: носить тяжелое и хватать пальцами мелкие предметы.

Для установки i-Limb не нужна хирургическая операция: кіберпротез управляется с помощью датчиков, присоединенных к г’мышц предплечья. Соответственно, чтобы пошевелить кіберрукою достаточно напрячь м’мышцы так, если бы это была настоящая рука.

Владельцы i-Limb утверждают, что порой возникает ощущение, будто кіберпротез – это их настоящая рука. Конечно же, это ощущение обманчиво и в действительности его формирует мозг на основе прежних воспоминаний. Кіберпротез i-Limb является одним из самых доступных, но далеко не самым высокотехнологичным.

Большие надежды американское оборонное агентство DARPA возлагает на кибер-руку собственной разработки, которая управляет не м’язами предплечья, а мозгом. Для этого в мозг вживляется микрочип, который регистрирует сигналы нейронов и передает их протеза. Главное преимущество проекта DARPA – высокая точность движений, что позволяет манипулировать чем угодно, хоть музыкальными инструментами.

Финансирует DARPA и альтернативный проект по созданию кіберруки Рука Деки Люка, автором которого является американский изобретатель Дин Кеймен. На его стороне модульная конструкция, которая позволяет легко подстраивать кіберпротез под нужды конкретного пользователя. Руководствоваться Luke Arm может той частью тела, какой пожелает владелец, например ступней. То есть чтобы двигать кіберрукою, достаточно лишь притупувати ногой.

В тех же случаях, когда рука не потеряна, но из-за проблем с нервной системой утратила возможность двигаться, на помощь придет Одержимая Рука. Устройство одевается на руку и стимулирует м’язы согласно заданной программы, а потому может помочь и здоровым людям. Например, желающим научиться играть на скрипке, лепить из глины или жонглировать шарами. А это уже есть, по сути, аугментация человека, при которой, что важно, не приходится жертвовать здоровой конечностью ради кибернетической, пусть даже ради более совершенной.

Кибернетические ноги

С инженерной точки зрения кіберпротези ног создать проще, ведь в данном случае не нужно имитировать точные движения пальцев. Но есть и другая сложность: нужна эффективная амортизация, иначе при быстрой ходьбе человека будет сильно шатать.

Сложную по своей конструкции кибернетическую ногу создали в американском Университете Вандербильта. Состоит она из большого количества сенсоров и моторов. Первые определяют положение ноги в пространстве, а вторые в ответ двигают искусственными суставами.

Такой кіберпротез позволяет с легкостью садиться и вставать, а также ходить по лестнице, на что не способно большинство аналогов. Альтернативная разработка – кіберпротез Силовая Опора – способен имитировать нажим человеческой ноги. Ее создателем является Хью Херр, профессор Массачусетского технологического института. Он остался без обеих ног, за что испытывает Power Foot лично на себе.

Еще одним направлением развития кибер-протезов ног есть сменные насадки для спорсменів. Так, южноафриканский бегун Оскар Писториус с упругими протезами Сгибать-Нога участвует в соревнованиях наравне со здоровыми спортсменами и даже сумел выступить на Олимпиаде-2012 в Лондоне. Это еще раз доказывает возможности современной біомехатроніки и силу человеческого духа.

Что будет дальше?

Кроме разработок по созданию протезов сегодня активно ведется работа и по конструированию экзоскелетов, которые многими рассматриваются как выход сферы протезирование на новый уровень.

Экзоскелеты, в отличие от протезов, есть устройствами, предназначенные для увеличения силы’мышц и пополнения утраченных функций человека за счет создания приводных элементов и внешнего каркаса. Такое устройство для выполнения своих функций должен полностью повторять биомеханику человека.

Главным направлением разработок является военное применение экзоскелетов. Цель – создание брони, которая соединила бы в себе огневую мощь и бронирование танка, подвижность и скорость человека, и в несколько раз увеличила силу того, кто использует экзоскелет.

Другой возможной областью применения экзоскелетов является помощь травмированным людям и людям с инвалидностью, людям преклонного возраста, которые в силу своего возраста имеют проблемы с опорно-двигательным аппаратом. Модификации экзоскелетов, а также отдельные их модели, могут оказывать значительную помощь спасателям при разборах завалов разрушенных зданий. При этом экзоскелет может защитить спасателя от падения обломков.

В наше время большой преградой для начала производства полноценных экзоскелетов является отсутствие подходящих источников энергии, которые могли бы в течение длительного времени позволить устройству работать автономно.

Еще одним футуристическим вариантом апгрейда человека является создание кибернетических глаз.

До полноценной замены глаза еще очень и очень далеко, но работа в этом направлении идет полным ходом. В случае проблем с центральным зрением может помочь встроенный прямо в глаз миниатюрный телескоп под названием CentraSight от компании VisionCare. Он перенаправляет изображение на здоровые участки глаза, что отвечают за периферическое зрение. Правда, несколько месяцев уходит на обучение человека пользоваться периферийным зрением вместо центрального.

Министерство энергетики США финансирует проект по созданию искусственной сетчатки Аргус. Решение состоит из очков с камерой и передатчиком, который транслирует изображение на электроды на задней стенке глаза. Но беда в том, что электроды пока не способны передавать в мозг четкое изображение. Картинка получается черно-белой и крупнозернистой.

Самым реальным вариантом на сегодня является создание бионической линзы корпорацией Ocumetics Technology Corporation.

Изобретена бионическая линза, может радикально улучшить зрение, предотвратить катаракту и обеспечить новые способы видеть мир. В результате, человечество сможет отказаться от концепции “плохого зрения” или вообще улучшить зрение до 20/20.

Представьте себе, что вы смотрите на часы, который стоит в трех метрах от вас, и ясно, в деталях способны его рассмотреть. С біонічною линзой, как обещают производители, расстояние четкого видения увеличится до 30 метров, а на очень близких расстояниях линза и вовсе будет иметь сверхспособности. Если вы будете пристально всматриваться в поднесенное к глазам палец, то сможете разглядеть даже клетки кожи.

В мире есть перспективы использования технологий мисленнєвого управления автоматикой не только для пациентов, которые потеряли определенные органы. Можно, например, вынести такое управление за тело человека: управлять внешними исполнительными устройствами. Возможно, это будет хорошим решением для разных сфер гражданской и военной индустрии, например для удаленного управления различного рода кибернетическими устройствами – от манипуляторов до роботов.