«Бионические» протезы: какие органы сегодня можно подменить электроникой

В первых трёх фильмах эпопеи «Звёздные войны» есть множество кадров и целых сцен, сразу же вошедших в историю мирового кинематографа. Одна из таких — момент, когда Люка Скайуокера оснащают высокотехнологическим протезом руки, потерянной в ходе поединка с Дартом Вейдером.

Протез выглядит и функционирует неотличимо от натуральной руки, и даже, похоже, передаёт тактильные ощущения. То есть, является почти совершенным «бионическим», как сегодня принято называть подобные вещи, протезом. К сожалению, земной науке до тех технологий, которые применялись давным-давно, в далёкой галактике, ещё идти и идти.

Термин «бионический» происходит от названия «бионика»: так именуется прикладное направление науки о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Бионика тесно (и даже неразрывно) связана с целым рядом других наук — биологией, физикой, химией, кибернетикой, а заодно с электроникой, навигацией, связью, морским делом и так далее.

Бионические протезы и импланты — лишь одно из направлений, в котором ведутся исследования, связанные с бионикой; и одно из самых важных. Основная особенность бионических протезов — это их способность брать на себя функции утраченных органов и конечностей.

Давайте посмотрим на примеры хотя бы относительных успехов в этой области.

Бионические руки

Создание искусственных рук, которые могли бы заменить людям их природные, — задача чрезвычайной сложности. Во-первых, из-за того, насколько деликатным является это «устройство», сколько тончайших движений оно способно совершать. Это уж не говоря о том, что на кончиках пальцев у человека располагаются главные осязательные органы, имитировать которые — особо сложная задача.

Неудивительно, что к настоящему времени ни одного стопроцентно успешного проекта по созданию бионической руки, к настоящему времени не существует.

Но есть интересные.

i-LIMB — проект активных протезов компании Touch Bionics, ставший коммерческим в 2007 году. Эти протезы являются миоэлектрическими устройствами, «считывающими» биоэлектрические потенциалы, возникающие при сокращении мышц на уцелевшей части руки. i-Limb по-разному реагирует на сокращения разных мышц, осуществляя разные движения.

С помощью этого протеза можно брать и удерживать разные предметы; версия i-LIMB Ultra позволяет двигать пальцами по отдельности; в управляющее программное обеспечение (да-да, без него никак) вписан целый ряд стандартных жестов и захватов, плюс силу сжатия можно регулировать, что значительно помогает в некоторых ситуациях.

После непродолжительного периода отсутствия активности i-LIMB возвращается в исходное — «естественное» — положение.

i-LIMB Pro в основном рассчитан на ветеранов боевых действий, утративших в бою конечности. Необходимо отметить, что в данном случае о соединении протеза с нервами речи не идёт. Можно научиться ею пользоваться, но нельзя научить сам протез делать что-то, что не прописано в его программе.

Bebionic3 — аналогичный i-LIMB проект миоэлектрической бионической руки. 14 разных захватов и положений руки, возможность выполнять разные действия — в том числе, использовать компьютерную мышь и нажимать на курок цветочного обрызгивателя.

И i-Limb, и Bebionic3 могут выглядеть достаточно натурально, однако, опять же, до полноценной замены рукам им очень далеко.

Куда ближе к успеху, например, проект Технического университета Чалмерса; его сотрудники в конце прошлого года объявили, что им удалось создать протез, который управляется частично тем же миоэлектрическим методом, а частично — нервной системой: имплантируемые электроды перехватывают биоэлектрические сигналы, поступающие по нервам из мозга, и встроенный в протез компьютер декодирует их в команды для управляющих моторов. Протез позволяет двигать как всеми пальцами сразу, так и каждым по отдельности.

Уровень интуитивности управления протезом, как уверяют разработчики, значительно превосходит другие активные протезы, представленные на рынке.

Ну, а высший пилотаж, это, конечно, искусственные руки, управляемые исключительно нервными сигналами.

Опять же, в конце декабря в американском медицинском журнале Lancet был опубликован материал о разработке нейробиолога Эндрю Швартца из Университета Питтсбурга: 53-летней женщине, парализованной от шеи и ниже в результате тяжёлого нейродегенеративного заболевания, вживили в мозг крошечные электроды, с помощью которых она смогла управлять полностью искусственной рукой. В данном случае, речь идёт именно о протезе, управляемом непосредственно мозгом. По словам Швартца, его система «декодирует двигательные намерения пациента».

Интересно, что проект финансировало Агентство передовых оборонных исследований при минобороны США — DARPA.

И вот почти уже на днях появились публикации о новом прототипе бионического протеза, передающем в мозг в том числе и тактильные сигналы — благодаря специальным сенсорам, расположенных на пальцах, в ладони на запястье. Таким образом, человек в буквальном смысле чувствует, где располагаются протез и что он сжимает.

Естественно, до реальных ощущений тут ещё далеко. Более того, использование протеза требует специального импланта, который нельзя носить дольше месяца. Прототип есть прототип.

Бионические ноги

Нога, казалось бы, чуть менее сложное устройство, нежели рука, тем не менее, сымитировать её так, чтобы носитель бионического протеза почти что забывал о том, что его конечность имеет ненатуральное происхождение, до сих пор никто не сподобился. Хотя и здесь работы ведутся весьма активно.

Университет Вандербильта уже несколько лет разрабатывает и испытывает бионический протез ноги с двигателями на колене и у ступни. Непосредственным носителем протеза стал 23-летний студент Крейг Хатто, несколько лет назад лишившийся ноги в результате нападения акулы.

Судя по видео, он вполне может сегодня ходить как по ровным поверхностям, так и по наклонным, и снаружи заметна лишь небольшая хромота:

Судя по описанию, нога представляет собой автономное устройство, оснащённое мощным компьютером (реализованным на одной схеме) и соответствующим ПО. Нога «сама знает», как ей себя вести в каждый момент времени. Известно, что Хатто проходил с этой ногой расстояния до 13-14 км.

В конце ноября прошлого года много шума наделала история о том, как Зак Воутер, инвалид, лишившийся ноги несколько лет назад, смог подняться на вершину самого высокого в Западном Полушарии здания — 103-этажной Башни Виллиса в Чикаго.

Протез, которым пользуется Воутер, также, как и искусственная нога Хатто, разработан в Университете Вандербилта, на сей раз совместно с Реабилитационным институтом Чикаго. Протез подсоединяется к нервным волокнам в ноге, так что управляется эта искусственная нога «силой мысли».

Существует и множество других сходных разработок, причём речь идёт не только о протезах. Например, «бионическая нога» Tibion — это фактически экзоскелет для ног, рассчитанный на пожилых людей с конечностями, парализованными, например, вследствие инсульта.

http://www.computerra.ru/56032/bionic/