Бионические руки: история, будущее и реальность
Потеря любой конечности или любого органа для человека — это большая проблема. В некоторых случаях с ней приходится мириться, но иногда современные средства протезирования способны сделать из человека «с ограниченными возможностями» человека с «дополненными возможностями», как выражаются представители некоторых компаний этой отрасли.
В этой статье мы поговорим о протезировании рук. Здесь мы не затронем тему зубов, глаз, ушей, лица, внутренних органов человека и даже ног. И начнём со Средневековья, когда одним из самых эффективных способов борьбы с инфекциями была ампутация. Тему продолжат устройства викторианской эпохи и современные бионические протезы, а в конце мы обсудим будущее этого направления.
Стальные руки рыцарей
Этот протез руки, выполненный из стали, датируется 1580-ми годами. В нём есть сдвоенные пальцы и большой палец, которые могут принимать определённые позиции. Управление происходило с помощью кнопки на тыльной части ладони. Это устройство — один из трёх протезов шевалье Götz von Berlichingen. Приспособление позволяло брать в руки предметы и, возможно, даже писать пером.
Это ещё одна рука рыцаря.
Внутри этой железной руки, изготовленной в XVII веке, был механизм, который позволял сгибанием оставшейся руки управлять сжатием кулака. Это был, видимо, прообраз современных тяговых протезов.
Этот деревянный протез предположительно был сделан в 1800 году.
Ещё один деревянный протез предположительно управлялся с помощью тросика. Искусственная рука представлена в Смитсоновском музее.
Источник: invention.smithsonian.org
Менее богатые люди могли использовать крюки-протезы, подобные этому приспособлению начала XIX века. Когда я взялся за эту статью, я был уверен, что только такие протезы и были до XX века.
Локоть, запястье и пальцы этого протеза, сделанного между 1850 и 1910 годами, могут двигаться. Вероятно, на эту железную руку надевали перчатку. Хотя устройство выглядит очень интересно.
В 2013 году на Хабрахабре заминусовали пост о чудо-протезе из Голландии. Пост содержал скан из Журнала Министерства народного просвещения № 7 от 1837 года, где описывалась «механическая рука нового устройства, которая может совершенно заменить потерю этих драгоценных членов». Две такие руки, которыми можно махать, шевелить пальцами и брать предметы, дали двум военнослужащим. Судя по предыдущим примерам протезов, которые хранятся в различных музеях и описаны историками и учёными, данная статья всё-таки могла не быть уткой, как думали пользователи.
На фотографии ниже — ветеран Гражданской войны в США 1861–1865 годов.
В ладони этой женской искусственной руки XIX века видны отверстия, которые, возможно, использовали для закрепления крюка или других приспособлений, упрощающих жизнь.
Источник: collectmedicalantiques.com
XX век
Протез на фотографии ниже был сделан для 16-летней девочки, потерявшей руку ниже локтя. Протез сделан из дерева, кожи и ткани. Нужно отметить, что здесь думали и о внешнем виде приспособления, и о его функциональности: запястье вращается, пальцы меняют положение, а в ладонь добавлен крюк — чтобы можно было, например, носить сумку. Протез представлен в Музее науки в Лондоне.
Так выглядели протезы XIX и XX века. Представлены в Музее науки.
На этой фотографии немецкий солдат работает в мастерской, используя протез левой руки. Фотография содержится в Национальном музее Первой Мировой Войны в Канзасе.
Это швейцарский протез. В лучших традициях — с разными сменными насадками.
Этот протез представлен в Музее науки в Лондоне. Он сделан для 17-летнего парня в 1959 году.
Источник: sciencemuseum.org.uk
Одними из первых получателей протезов были военнослужащие. В этом случае производитель протезов из Бруклина на рекламном плакате сообщил, что горд работой с вооружёнными силами США.
Как можно заметить, протезы этого типа за несколько десятков лет не особенно изменились.
Современные бионические протезы
Давайте разберёмся сперва, что такое «бионические протезы». Бионика — это прикладная наука, объединяющая в себе биологию и технику. Живая природа помогает учёным находить решения для технических устройств. Различают биологическую бионику, которая изучает процессы в биологических системах, теоретическую, которая строит математические модели этих процессов и техническую. Нам сейчас важна техническая бионика: она применяет модели теоретической бионики для решения инженерных задач, как и в случае с протезами.
Ранее специалисты подразумевали под «бионическими» протезами такие устройства, которые похожи на часть тела, которую они замещают. С точки зрения современных понятий эти протезы — те, которые управляются электроникой и биотоками, то есть используют миографию или энцефалограмму.
Британская компания RSLSteeper, имеющая на данный момент около 90 лет опыта в протезировании, вывела бионический протез кисти руки BeBionic на международный рынок в 2010 году. На тот момент искусственная рука для взрослого имела только четыре функциональных захвата, но уже позволяла есть, пить, печатать, поворачивать ключ в замке, использовать банкомат и держать маленькие предметы. Пользователь с помощью устройства может разбивать яйца и держать в руке одноразовый стаканчик — потому что даже сила нажатия регулируется командами, снимаемыми датчиками с мышц.
Отсутствие массового спроса и низкая конкуренция — основная причина, по которой бионические протезы очень дорого стоят. В 2013 году протез ладони стоил до ста тысяч долларов.
Как удешевить протез? Нужно сделать дешевле его производство. В 2013 году успешно завершилась краудфандинговая кампания на IndieGoGo по созданию открытого и доступного протеза ладони, большую часть деталей для которого можно распечатать на 3D-принтере. Устройство имеет независимые приводы для каждого пальца, тактильную обратную связь и считывает сигналы через кожу для управления. В ладони устройства находятся электроприводы и управляющая плата на Arduino.
Макет детской версии Dextrus, стилизованной под руку Железного Человека.
Ещё один проект, Limbitless Solutions, который делает недорогие протезы, в 2015 году устроил встречу Роберта Дауни младшего и семилетнего мальчика Алекса, чтобы подарить ребёнку бионический протез в форме руки костюма его любимого героя.
И что очень важно — благодаря печати на 3D-принтере себестоимость этого протеза составила всего 350 долларов. Сам проект делает эти протезы в основном для детей, семьи которых не могут себе позволить потратить 30–100 тысяч долларов на бионическую руку.
В 2014 году в госпитале Университета Джона Хопкинса разработали протез обеих рук и испытали его на человеке, который потерял обе руки от плеча и ниже. Для управления протезом система считывала сигналы с грудных мышц.
Один из самых серьёзных игроков рынка протезирования рук в мире — компания Bebionic. Часто в СМИ говорят о том, что именно эта компания сделала первый бионический протез. В этом видео — демонстрация возможностей миоэлектрического протеза BeBionic 3 от Найджела Экленда, известного в России и мире киборга.
В июне 2016 года первая британка получила кисть Bebionic Small — реалистичный протез, который благодаря небольшому размеру подходит женщинам и подросткам. 29-летняя Ники Эшвелл (Nicky Ashwell) из Лондона родилась без правой руки и всю жизнь использовала косметический протез, который не имел никакого функционала. Судя по фотографиям, Ники решила не надевать перчатку, имитирующую человеческую кожу.
Протез Bebionic Small весит 390 граммов, способен держать до 45 килограммов и имеет 14 захватов.
В мае 2016 года 26-летний Джеймс Янг получил протез, сделанный похожим на руку Солида Снейка — героя серии игр Metal Gear Solid. Джеймс потерял левую руку, повредил левую ногу и получил другие повреждения, когда попал под поезд, и после больницы получил стандартные протезы, которые сам описал как «уродливые». Сейчас он «обкатывает» очередной прототип искусственной руки.
Фото: dailymail.co.uk
Metal Gear Solid 5
Как видно из примеров выше, современные бионические протезы имеют достаточный для различных бытовых действий функционал. Но есть ещё кое-что, над чем работают учёные: над чувствительностью протезов. Для руки человека важно понимать, как сильно что-то сжать, что именно можно брать в руку, что нельзя. Так и с искусственной кистью — её сильно улучшит возможность чувствовать.
В 2013 году команда из Cleveland Veterans Affairs Medical Center и Case Western Reserve University разработала протез, сенсоры которого напрямую подключены к нервным окончаниям оставшейся части конечности. В этом случае импульсы с датчиков не отличаются от импульсов, которые передаёт собственная рука. Первый доброволец, который испытал на себе устройство, рассказал, что стал чувствовать «пальцами», ладонью и тыльной частью ладони. На видео ниже доброволец пытается оторвать веточку от вишни — сначала с выключенной функцией чувствительности искусственной руки, затем — с включенной. Во втором случае он лучше справляется с этой задачей.
DARPA в середине 2013 года также представила протез с обратной связью в рамках программы RE-NET (Reliable Neural-Interface Technology). Агентство собиралось работать по данному проекту до 2016 года.
В 2015 году 28-летний парализованный пациент с помощью протеза, подключенного к мозгу, стал осязать различные предметы, включая прикосновения к каждому пальцу. Это было сделано в рамках другой программы — Revolutionizing Prosthetics.
В 2014 году Dennis Aabo Sørensen, потерявший руку из-за неосторожного обращения с пиротехническими «игрушками», вызывался добровольцем для испытаний протеза с обратной связью. Электроды протеза подключили к нервной системе человека. Сила сигнала просчитывается компьютером, и Деннис стал ощущать размер, форму и текстуру объекта.
Бионические протезы в России
На российском рынке фактически нет игроков, которые ввели в коммерческое использование бионические протезы рук. Разработку ведёт стартап «Моторика», известный внедрением в федеральную программу обеспечения инвалидов техническими средствами реабилитации тяговых протезов для детей — благодаря этой компании дети получают тяговые протезы за счёт государства. В этом видео — испытания четвёртого прототипа искусственной кисти Stradivary, которую команда планирует начать производить и устанавливать в России в октябре-ноябре 2016 года.
Протез Stradivary — миоэлектрический. Для его установки не требуется хирургическое вмешательство. Поверхностные миодатчики встраиваются в приёмную гильзу, касаются определённых мест на коже в районе мышц, улавливают потенциал при сокращении мышцы и передают сигнал на раскрытие или закрытие кисти.
Основная проблема, с которой встречаются при установке этого вида протезов, это слабо развитые мышцы предплечья. Чтобы избежать этой проблемы, «Моторика» и делает тяговые механические протезы детям — такие протезы не только помогают выполнять различные функции руки, но и служат тренажёром.
По мнению Ильи Чеха, основателя «Моторики», сейчас есть два направления развития бионических протезов.
Первое — это очувствление, то есть обратная связь, позволяющая владельцу протеза получать информацию о качествах объекта, к которому он прикасается устройством.
Второе — вживление всех элементов, включая каркас и датчик. Одна из проблем с протезом Джеймса Янг, получившего руку, похожую на руку из Metal Gear Solid, это необходимость снимать такой протез для сна или принятия душа. В будущем протезы будут скорее напоминать руку главного героя фильма «Я, робот», сыгранного Уиллом Смитом. Не в плане соответствия собственной конечности, а в плане отсутствия необходимости дополнительного ухода.
Сейчас в мире очень популярно недорогое печатное направление в протезировании. К этому привели доступность и распространение 3D-принтеров. Существуют различные проекты, помогающие бесплатно получить тяговые протезы, и схемы, с помощью которых можно доработать и распечатать миоэлектрический протез руки. Илья Чех считает это направление временным: оно будет популярно предстоящие 10–12 лет, пока будут развиваться и масштабироваться вживляемые технологии. 3D-печать сейчас предлагает более низкую стоимость, но существенно проигрывает в качестве. И лучшее качество по сравнению с традиционными технологиями оно скорее всего не даст никогда. Всегда будет дешевле и качественнее отрезать на лазере из листового металла, чем печатать полимерами с помощью принтера. По крайней мере так будет, если мыслить в существующей парадигме развития печати, и не фантазировать на предмет молекулярного построения объектов. Печать создана для максимального сокращения сроков и стоимости прототипирования и R&D.
Каким вы видите будущее протезирования руки человека? Какие способы установки и управления кажутся вам наиболее востребованными через 20–30 лет?
