Россия на первом в истории соревновании киборгов


Этой осенью в Швейцарии я принял участие в Кибатлоне (англ. Cybathlon) — первом истории человечества соревновании людей-киборгов. На соревнованиях я пользовался бионическим протезом предплечья Stradivary от нашей команды «Моторика».

Кибатлон — это еще один взятый рубеж научно-технической революции. Я уверен, что принципиальную важность этого события мы полноценно осознаем через десятилетия, когда киборгизация (как здоровых людей, так людей с инвалидностью) выйдет на поистине фантастический уровень.

Что такое Кибатлон и зачем он нужен


В Кибатлоне принимают участие люди с инвалидностью, использующие высокотехнологичные технические средства реабилитации (ТСР), а также разработчики этих самых ТСР. Соревнование заключается в прохождении полосы препятствий, на которой необходимо выполнять различные задания, в основном бытового характера. Например, пользователи протезов рук должны закрутить лампочку, а пользователи электроколясок — преодолеть лестницу.

В чем смысл? Организаторы собирают в одном месте все самые крутые ТСР и ставят их пользователей в одинаковые соревновательные условия. Благодаря этому мы можем своими глазами увидеть, какой, например, протез на данный момент является реально лучшим из существующих. На Кибатлоне средства реабилитации сравниваются «лоб в лоб» и тут уже не помогут ни маркетинговые уловки, ни красивые видосики на ютубе: либо твой продукт показывает результат, либо нет. Отмечу, что принять участие в Кибатлоне могут как известные транснациональные компании-разработчики, так и небольшие стартапы с экспериментальными разработками.

Победители получают 2 медали. Одна достается команде-разработчиков, вторая — пользователю (или пилоту). Прямо как в Формуле-1. Вообще первый Кибатлон можно сравнить с первыми в истории автомобильными гонками. Пока результаты не такие фантастические, но перспективность этих разработок очевидна.

image

Мне особенно приятно, что в первом Кибатлоне приняли участие 6 команд из России. И пусть российские команды не заняли призовых мест, меня радует сам факт существования у нас высоких технологий в сфере реабилитации.

Первый Кибатлон проводился в 6 дисциплинах: протезы рук, протезы ног, экзоскелеты, электроколяски, нейроинтерфейсы и функциональная электрическая стимуляция.

Протезы ног


image

В дисциплине протезов бедра пилоты должны были преодолеть полосу препятствий, имитирующую различные жизненные ситуации, например, сесть и встать, перешагнуть через препятствие и пройти по лестнице и неровностям.

В гонке принимали участие 12 пилотов, причем четверо из них представляли компанию Ossur — одного из ведущего разработчика и многолетнего лидера рынка в этом сегменте. Не мудрено, что именно пилоты Ossur заняли весь призовой пьедестал.

Очень круто, что четвертое место заняла российская разработка — Дмитрий Игнатов с гидравлической коленкой от компании «Ортокосмос» немного не дотянул до тройки лучших.

Экзоскелеты

image

Экзоскелеты дают возможность ходить людям с парализованными нижними конечностями. На Кибатлоне пилотам экзоскелетов приходилось не просто ходить, а маневрировать между препятствиями и взбираться по лестницам:

По моему мнению, это самая сложная дисциплина для пилота — передвигаться в экзоскелете очень тяжело физически. Самым быстрым же оказался немецкий экзоскелет от ReWalk. В соревновании участвовал и наш пилот с разработкой отечественной компании Neurobotics, но он, к сожалению, оказался далеко от тройки финалистов.

Электроколяски


image

Еще одна интересная дисциплина соревнований — это гонки на электрических инвалидных колясках. Пилоты преодолевают все те же смоделированные под реальные препятствия — искусственные неровности и наклоны, проходят «змейку», заезжают и спускаются с лестниц. Подробный отчет о соревновании в этой дисциплине уже появлялся на Geek Times

В дисциплине участвовали 12 команд со всего мира, в том числе и новосибирская компания Caterwil. Ребята стали настоящим открытием для меня — я и не знал, что где-то в России компания выпускает такие крутые коляски-вездеходы.

Самое серьезное препятствие на трассе для колясочников — это, конечно, лестница. И инженеры команд по разному решили эту задачу. Например, кресла от Caterwil имеют и колесный и гусеничный ход. На колесах коляска едет быстро и хорошо маневрирует, а на гусеницах преодолевает ступеньки. К слову, на трассе ребята показали максимально возможный результат, но в общем зачете оказались лишь на пятом месте, так как проиграли по времени. Финишировавший первым швейцарец прошел трассу почти на 2 минуты быстрее. Как, спросите вы? Дело в том, что швейцарцы спроектировали свое кресло специально под Кибатлон. Их коляска заточена преодолевать ступеньки конкретной ширины и высоты, даром, что всю информацию о трассе, вплоть до размеров наклонов и ступенек, организаторы заранее прописывают в правилах.

Это говорит об одной из проблем Кибатлона — некоторые компании подстраивают свои ТСР специально под задания трассы. С одной стороны в этом нет ничего плохого, ведь это соревнования и все находятся в одинаковых условиях. Никто не мешает тебе заточить, например, свою коляску под определенные ступеньки. Но ведь средства реабилитации призваны помогать человеку в реальной жизни, а в жизни все наклоны, кочки и ступеньки разного размера. Ребята из Caterwil приехали на соревнование со своей серийной коляской, что вдвойне круто.

Надеюсь, что практика кастомизации ТСР для соревнований себя не оправдает и в будущем побеждать будет тот протез/экзоскелет/электроколяска/нейроинтефрейс, который будет круче в условиях непредсказуемости трассы.

Нейроинтерфейсы (BCI — Brain–computer interface)


image

Соревнование среди частично парализованных пользователей нейроинтерфейсов «Мозг-компьютер». Технология позволяет обрабатывать электрические сигналы с коры головного мозга, усиливать и передавать их на компьютер, а далее с помощью алгоритмов обработки производить синхронизацию с устройством или приложением. Состязание представляет собой прохождение компьютерной аркады, действиями главного героя которой пилот управляет при помощи «силы мысли». Всего пользователь отдает 4 команды — прыжок, подкат, шаг и рывок. Каждой команде соответствовал определенный вагончик, по которому двигался виртуальный игрок.

Первые 2 места в гонке заняли швейцарцы из Brain Tweakers. Россию на Кибатлоне представляла еще одна разработка компании Neurobotics. Отечественный нейроитерфейс распознает до 8 отдельных команд в реальном времени, работает всего от 8 монополярных электродов.

Участвовать в качестве пилота в соревновании могут только пилоты с шейной травмой, о чем наша команда была уведомлена незадолго до Кибатлона. Из-за этого подходящего пилота нашли только за 3 дня до вылета в Швейцарию. Но и на этом проблемы не закончились. Вот что рассказывают сами ребята:

Проблемы начались на самих соревнованиях, когда мы зашли в зону BCI. Увы, но организаторы, которые так дотошно требовали различные документы и справки, не смогли организовать место для проведения дисциплины. Элементарной защиты от электромагнитных помех не было, а это просто необходимо для электроэнцефалографии. При подключении устройства терялись пакеты данных и передача информации шла с задержкой, выглядело это не очень приятно и как результат — на квалификации мы показали плохое время (162 секунды), при том, что на тренировке мы проходили трассу в среднем за 115 секунд.

Было немного обидно и досадно за такой недочет и недоработку, т.к. у нас достаточно хорошее программное обеспечения по работе с нейрокомпьютерным интерфейсом, и как минимум на призовое место мы рассчитывали. В общем зачете мы оказались на 7 строке и теперь уже вели борьбу за 5–8 места. И тут нам помогла удача: отклонив немного монитор на ноутбуке, сигнал стал как бы немного лучше и в результате мы победили в своей группе с результатом 131 секунд и заняли 5 место на соревнованиях по BCI. Но по результатом двух финальных групп за 1–4 и 5–8 места мы показали 2 время уступив всего лишь 5 секунд победителю из группы финалистов.

Вообще на соревнованиях для нейрокомпьютерного интерфейса были самые неподходящие условия. Проблемы с наводками и шумами были у всех, даже у тех, кто использовал проводные интерфейсы (наш — 8-ми канальный беспроводной). Надеемся, что в следующий раз организаторы Cybathlon примут во внимание особенности съема ЭЭГ.

Для себя из соревнования мы сделали следующие выводы:

  • Мы можем. От наших зарубежных коллег отстаем не сильно.
  • В следующем году постараемся сделать все приготовления заранее.
  • Нейрокомпьютерный интерфейс надо защищать от посторонних помех.
  • В Швейцарии симпатично

Функциональная электрическая стимуляция


image

Соревнование представляет собой велосипедную гонку, в которой участвуют пилоты с повреждением спинного мозга. Электростимуляция мышц позволяет пользователям крутить педали велосипедов. Это единственная дисциплина, в которой не были представлены отечественные разработки, но я слышал, что подобные исследования ведутся и в России.

Первое место с большим отрывом заняли американцы из Team Cleveland

Протезы рук:

Пользователи протезов рук соревновались в выполнении различных бытовых действий — перенести предметы различного веса и формы, вкрутить лампочку, застегнуть пуговицы и молнию. Отдельная секция была посвящена приготовлению завтрака: нужно было открыть консервную банку, отрезать кусок хлеба и т.п. От себя скажу, что задания на трассе были составлены с умом, все эти повседневные действия действительно нелегко выполнять, используя протез.

На соревновании мы увидели много необычных протезов. Вот, например, совершенно сумасшедшая рука от японцев:

imageimage

3 место занял остеоинтегрированный (вживленный) протез. По сути, это обычный биоэлектрический протез от Otto Bock, но сигналы управления считываются вживленными, а не поверхностными электродами:

image

Как я уже писал в начале, принять участие в Кибатлоне может любая компания с любым протезом, в том числе и не высокотехнологичным. И так вышло, что победу в этой дисциплине одержал тяговый протез-крюк.

image

Да, технология 19 века оказалась лучше всех дорогостоящих бионических рук а-ля терминатор. И это серьезный повод для размышления. Вот, что по этому поводу думает директор «Моторики» Илья Чех:

1. Победителем дисциплины стал тяговый протез-крюк, выполняющий один хват за счет движения в плечевых суставах (аналог тяговых протезов Руденко, распространенных в России). Преимущества протеза — высокая надежность, сильный хват, наличие мышечной «обратной связи», т.е. человек чувствует, насколько сильно сжимает протез, интуитивно регулирует скорость хвата, а также более точно контролирует положение кисти в пространстве. Недостатком тягового крюка является отсутствие поворотного запястья, из-за чего при выполнении сложных пространственных манипуляций приходится выполнять компенсаторные движение плечом и телом:

image

2. Ни один из представленных на Кибатлоне протезов, кроме тягового крюка, не смог обычным способом поднять тяжелый предмет сложной и гладкой формы (алюминиевый конус в первом испытании, масса — 2.5 кг). Чтобы выполнить это задание, пользователям приходилось сначала переворачивать предмет, а затем подхватывать его утолщением вверх.

image

Это говорит о том, что биоэлектрические протезы развивают недостаточно усилие, чтобы удерживать гладкие тяжелые предметы.

3. Наиболее сложные элементы некоторых заданий выполнялись только здоровой рукой. Например, застегивание пуговиц и молний, открытие консервной банки, нарезание хлеба. В последнем испытании (переноска вещей), протезы практически всех команд либо не использовались в принципе, либо использовались исключительно как противоупор (с чем справился бы и косметический протез):

image

4. Испытание с закручиванием лампчоки быстрее всех прошел протез Mickelangelo, немецкой компании OttoBock (2 место по итогам соревнований), благодаря электрическому ротатору запястья. Остальные команды вынуждены были просто наживить лампочку в цоколь и затем крутить ее одним пальцем или всем протезом как статичным инструментом. На что потребовалось гораздо больше времени:

image

5. По итогам соревнования стоит отметить еще одну особенность: все протезы с индивидуальным приводом пальцев заняли последние места. Как уже отмечалось выше, первое место занял тяговый крюк, второе место — многофункциональный протез Mickelangelo (с 2-мя двигателями и «коробкой передач» для выполнения разных хватов), третье место — низкофункциональный протез от OttoBock, выполняющий один хват.

В соревновании бионических рук было заявлено 12 команд, в том числе 2 наши компании — «Клайбер Бионикс» (с протезом Kleiber Solo) и «Моторика» (с протезом Stradivary). Но по техническим причинам на старты вышли только 10 команд. Кибатлон — это соревнование технологий, а техника имеет свойство отказывать. На Кибатлоне мы были свидетелями проблем с функциональной электростимуляцией, отказов электроколясок и экзоскелетов. К сожалению, эта участь не минула и отечественные компании. Вот как описывает произошедшее глава «Клайбера» Иван Кречетов:

По техническим причинам нашей команде (ООО «Клайбер бионикс») пришлось сняться с соревнований.

Начать следует с нашей предварительной подготовки. Летняя версия протеза Kleiber Solo обладала следующими характеристиками (время полного сжатия 0.24(!) сек, развиваемое усилие на кончике пальца ~200 гр; протез оказался слишком быстрым, и, соответственно, слабым). К тому же в версии Rev A. материнской платы была обнаружена ошибка в рабочей точке силовых транзисторов, из-за чего максимальный ток составлял лишь 0.8А при фактически возможных 1.8А, что, помимо прочего, вызывало перегрев. Участие с такой версией в сравнении с мировыми лидерами (сжатие за 1.0 сек при усилии на кончике пальца до 1.5 кг) было бы провальным и в конце августа мы продолжили разработку. Ожидалось увеличение момента в 8 (!) раз (в 4 раза замедление редуктором, в 2 раза больший ток на моторы). В конце сентября собрали новую версию, отдали платы Rev B. в производство, которое затянулось на 11 рабочих дней и мы не успели получить их до отъезда в Цюрих.

Здесь решили пойти ва-банк, понимая, что в Rev A. транзисторы могут сгореть от перегрева, что, собственно, и произошло во время тестирования и отладок. С собой на ответственные мероприятия мы возим мобильную версию лаборатории (паяльные станции, комплекты плат, электронных компонентов и многое другое), но, к сожалению, при пайке проводов для датчиков Холла использовали смываемый флюс (отмывать его нечем было) и покрыли плату с SMD компонентами бесконечной цепочкой коротких замыканий, перепаять рабочий комплект не успели, о чём уведомили организаторов, что снимаемся на этапе прохождения технического регламента.

Изначально мы преследовали амбициозные цели выступить не хуже лидеров рынка, заявить о себе. Но проанализировав обстоятельства, сложился пазл причинно-следственных связей в голове, появилось приятное ощущение — умение брать ответственность за свои действия. Это лишь была одна из возможностей, но не последняя для нас. К слову, наша затея удалась, текущая (Rev B.) версия уже выдаёт 1.35 кг на кончике пальца при 0.95 сек на полное сжатие. Работаем над предсерийной Rev D. (на изготовление Rev C. решили не тратить время и обновили).

История кибатлоновской версии протеза Stradivary также начинается в конце лета 2016 года, когда было решено поменять систему »5 пальцев — 5 приводов» (а-ля Bebionic) на 3-приводную кисть (1 привод на большой палец, 1 — на указательный и средний и еще 1 — на безымянный и мизинец).

image

В начале сентября из Канады были заказаны необходимые движки, но из-за ошибки в документах и последующей чудовищной бюрократической волокиты приводы застряли на таможне во Внуково почти на 2 месяца. Поэтому подходящие приводы были куплены нами в Мюнхене всего за день до соревнований. Естественно, что потестировать и потренироваться времени совсем не хватило и как следствие — сбой в работе протеза и на трассе мне удалось выполнить только одно задание из шести:

image
image

Конечно, мы рассчитывали на более высокий результат, но мы не расстраиваемся — нашими соперниками были крупнейшие компании, вкладывающие миллионы долларов в свои разработки. Когда-нибудь и мы сможем составить им серьезную конкуренцию.

image

Соревнование в России. Кибатлетика


Сейчас у нас появилась идея проводить подобные соревнования в России. В августе мы уже провели мини-соревнование на ВДНХ:

image
Кстати, победителя этих соревнований мы взяли с собой в Цюрих на Кибатлон.

В 2017 году мы планируем организовать по-настоящему крупное событие — Кибатлетику. Наши соревнования будут доступны большому количеству людей с инвалидностью (в том числе и детям). А чем больше разработчиков примут в них участие, тем качественнее (и в конечном счете доступнее) средства реабилитации станут для российских пользователей. Я призываю всех инженеров и разработчиков, а также пользователей различных ТСР, присоединиться к этому начинанию. В связи с этим опрос:

© Geektimes