сучасне протезування

1. Ламай - не соромся
2. Коли нозі не потрібен мозок
3. Як працює робот-протез
4. Спочатку будувати, потім - вирощувати

Штучні кінцівки, керовані штучним інтелектом, здатні самостійно оцінювати навколишню обстановку і передбачати наміри свого господаря. Легко уявити собі день, коли побудовані на їх основі механізми зможуть стати в нагоді і абсолютно здоровим людям.

По землі поки ходить не так вже й багато суб'єктів, яких можна було б назвати справжніми біомеханічними гібридами, так що зустріч з фермером Девідом для будь-якого стане сюрпризом. Рудий, пашить здоров'ям і незгасним веселощами здоровань зустрічає нас на посипаний гравієм проїзді, що веде до його майстерні. 30-річний механік без коливань зістрибує зі свого величезного трактора, пробирається серед всюдиходів і розкиданих всюди тракторних запчастин. Він хапається то за одне, то за інше справа, навіть не замислюючись, що в деякій мірі він вже не людина, а машина.

Втративши ногу Девід Джонсон працює інженером в компанії Ossur. Він відчуває протез Power Knee і у нього є всі можливості для самостійного налаштування протезної електроніки і для випробування її алгоритмів в реальних умовах.

Ламай - не соромся

Девід носить хитромудрий протез лівої ноги, яку втратив в автомобільній аварії. Сьогодні протез повинні замінити. Ось чому на ферму, де живе і працює Девід Інгвасон, приїхали інженери з компанії Еssur. Штаб-квартира цього великого виробника протезів розташована в Рейк'явіку (Ісландія), в годині їзди від ферми Девіда. Звичайний ісландський селянин, він виявився в обраному колу інвалідів, яких забезпечили протезом марки Symbionic Leg. Це інтегральна біонічна конструкція, що включає в себе штучні коліно, гомілку і стопу.

Свою штучну ногу Інгвасон регулярно ламає, пораючись на фермі, роз'їжджаючи по навколишніх пустками, порослим високою травою, лазити по затягнутим мохом вулканічним плоскогір'ям. Приводи забиваються глиною, механіка стогне під безперервними навантаженнями, поки технічний шедевр вартістю більше іншого седана чи не перетворюється в мертву залізяку, набиту електронікою. Як пояснює Магнус Оддсон, що відповідає за розробку нової техніки в компанії Еssur, при будь-яких ускладненнях від Інгвасона потрібно всього лише зателефонувати, і співробітники компанії тут же привезуть йому нову ногу, причому абсолютно безкоштовно. Адже для фірми все ушкодження, які випробувач завдає протезу в результаті вкрай недбалого поводження, - джерело дуже цінної інформації.

Сьогодні ми ми стоїмо на порозі реалізації давніх фантазій про «механічному силача», тобто про справжніх біонічних підсилювачах людських м'язів. Досить додати до технологій «розумних протезів» і екзоскелетів відповідний нейро-машинний інтерфейс, який не буде пов'язаний з вторгненням в мозок.

Коли нозі не потрібен мозок

Минулої осені компанія Еssur випустила в продаж модель Symbionic - першу в світі штучну ногу з електронним управлінням, доопрацьовану до рівня масового виробництва. Це видатна віха в історії розробки протезів. Нога Інгвасона виступає, по суті, в ролі самостійного робота, напханого датчиками, які досліджують навколишнє середовище і вгадують наміри господаря. Спеціальні процесори обчислюють, на який кут повинна висуватися при кроці штучна нога. Та ж ідеологія закладається в конструкції штучних рук, коли складні алгоритми допомагають визначити, з яким зусиллям потрібно схопити пластикову пляшку з водою або як спружинити, упершись в підлогу при падінні. Протези, чиє дія заснована на самостійному баченні і слуху, повністю обходяться без пошкоджених органів почуттів. Всі ці бионические системи здатні активно підлаштовуватися під характер своїх власників. Служачи людському тілу, вони відновлюють його функції.

Система Modular Prosthetic Limb виглядає просто як хороший бионический протез. Насправді ж це цілий рій з автономних роботів. Кожен знімний сегмент з власним електроприводом містить до того ж і свій процесор, який погоджує свою роботу з іншими елементами.

Візьмемо один з характерних випадків, коли людину може підвести протез традиційної конструкції. Зазвичай механічне коліно фіксується намертво, коли п'ята стосується землі. Таким чином, протез підтримує вагу людського тіла. Коли вага переходить на носок, коліно розблокується. Але якщо носок стосується землі занадто рано, штучна нога може мимоволі скластися під вагою господаря. Протез типу Symbionic Leg обдурити не просто. Датчики зусилля і акселерометри постійно відстежують стан ноги по відношенню до її власника і до навколишніх предметів. Вбудовані процесори аналізують всі вхідні дані з частотою 1000 замірів в секунду і оперативно приймають оптимальні рішення - коли прикласти зусилля, а коли його зняти. Для того щоб фіксувати або відпускати колінний суглоб, тут потрібно щось більше, ніж просто чутливе дотик землі носком ступні.

Але, припустимо, розумний протез якось помилиться, прораховуючи ситуацію, - тоді перший же імпульс, який вказує на те, що його власник готовий впасти, запускає в дію програму з відновлення рівноваги. Приводи відразу ж удвічі сповільнять свій рух, а магнітна рідина, що заповнює коліно, стане більш в'язкою, підвищуючи опір. Якщо вірити Інгвасону, вся система працює так, що він майже ніколи не падає - принаймні рідше, ніж це бувало, коли він ходив на своїх ногах.

Як працює робот-протез

Використання протезів тягне за собою, як правило, нові проблеми зі здоров'ям. У чисто механічних ножних протезах використовується складна система важелів і засувок. Саме вона дозволяє інвалідам ходити, але вільної ця хода ніколи не буде, так як власник протеза змушений при кожному кроці підсмикувати стегно вгору щоб не чіплятися носком протеза за дорогу. Ручні протези з електроприводом при ходьбі доводиться якось фіксувати, і цей баласт порушує поставу і рівновагу при ходьбі. Приблизно у 70% інвалідів, що користуються протезами, розвиваються ускладнення в хребті і суглобах.
Фахівці вважають, що подібні побічні наслідки призводять до того, що огрядні або страждають хронічними болями пацієнти стають ще менш рухливими, що підриває їх здоров'я і вкорочує життя. Вирішення цієї проблеми знайшли в спеціальних алгоритмах. При використанні протеза Symbionic Leg компанії Ossur пацієнт вже не повинен підсмикувати стегном. Всі необхідні рухи виконує за нього роботизований протез. При кожному кроці носок піднімається вгору, виконуючи рух, яке прийнято називати «тильне згинання».
Інші алгоритми виявляються складніше - з їх допомогою робот аналізує потік надходять ззовні даних, а вони постійно змінюються в залежності від характеру місцевості, по якій доводиться крокувати. Якщо нога при русі вниз впирається в пласку рівну поверхню, коли коліно ще до кінця не розігнувся, робот робить висновок, що перед ним сходинка сходів, і відповідним чином підлаштовує свої рухи. Якщо при контакті з землею носок задирається, а п'ята кілька провалюється, штучний інтелект робить висновок, що під ногами схил і він змінює кути і зусилля так, щоб оптимальним чином подолати цю перешкоду.

Новий протез Інгвасона - це наступна модель Symbionic Leg, заряджена модернізованими програмами. З їх допомогою коліно і кісточка зможуть осмислено взаємодіяти між собою. У найближчі роки компанія Еssur збирається створити свого роду «мережевий розум». Але ось новий протез вже на нозі. Спочатку Інгвасон досить незграбно пошкандибав через свій брудний двір, завалений іржавим останками тракторів і легкових машин. Але всього через кілька хвилин робот підстроївся під свого господаря.

Для того щоб заново відтворити людський орган, наприклад сечовий міхур, в Інституті регенеративної медицини Уейк-Форест болванку з биоразлагаемого матеріалу заселяють клітинами, узятими у пацієнта. Цією лабораторією керує Ентоні Атала, лауреат призу PM Breakthrough Award від 2006 року. Зараз тут зайняті вирощуванням більш складних органів - таких як печінка і серце.

Спочатку будувати, потім - вирощувати

Яким в компанії Еssur бачать майбутнє? «Добре було б, каже Оддсон, - зібрати всі знання, які накопичені в компанії Еssur, і розробити щось, взагалі ігнорує нервову систему людини. Це буде не екзоскелет. Правильніше було б назвати таку концепцію «Розумні штани». На перших порах вона може бути підмогою для паралізованих. Такий пристрій стало б стимулювати м'язи, генеруючи ті команди, які вже не здатні видавати мозок або пошкоджені нерви. Можна було б використовувати вже наявні приводи, тобто людські м'язи, але приладнати до них новий центральний контролер ».

У компанії Еssur інженер діагностує моторизований суглоб Rheo Knee. Цей елемент є частиною протеза Symbionic Leg і містить датчики кута і зусилля. З них дані надходять на бортовий комп'ютер.

А в самій далекій перспективі, вважає Оддсон, протезування як окрема галузь науки і техніки повинно зникнути взагалі, поступившись місцем майбутніх технологій відновлення втрачених органів. До 2050 року, передбачає він, кінцівки можна буде створювати з нуля. Хто знає, чи будуть їх вирощувати або будувати на основі друкованої технології? Всі потаємні біомеханічні таємниці, розкриті такими компаніями, як, наприклад, Еssur, будуть зведені в єдину упряжку для відновлення людської плоті за новими технологіями.

Забавно слухати такі оптимістичні прогнози, в яких фахівець прогнозує, що його галузь піде зі сцени завдяки її ж власним ефективному розвитку і поступиться своїм місцем іншим областям знання. Правда, вся напрацьована витончена техніка не пропаде марно - вона буде реалізована в нових пристроях, які змінять життя мільйонів людей, як хворих, так і цілком здорових.

Стаття «Людина і розумні запчастини» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2012 ).