Механические ноги заменяют коляски, а киберруки обрели чувства

Люди, как и любой биологический вид, увы, не только смертны, но и уязвимы. У всех нас есть конечности, которые в результате несчастных случаев, катаклизмов, болезней и прочих жизненных ситуаций, к сожалению, мы можем потерять. Причем, в отличие от тритонов и ящериц, которых природа одарила регенерацией потерянных частей тела, человек самовосстанавливаться не умеет. Однако мы обладаем интеллектом, а цивилизация следует по технологическому пути: сегодня разработано множество технических устройств (в том числе и инфраструктура), призванных позволить людям с физическими недостатками полноценно жить в обществе. В Европе, подчеркнем, даже слово инвалид не употребляют, предпочитая заменять его на более корректный термин — человек с ограниченными возможностями. Причем, глядя на ихних, к примеру, колясочников, полноценно работающих журналистами-репортерами, понимаешь, что второй термин ближе к истине, чем первый (инвалид — от лат. ivalidus, слабый, немощный).

Увы, в Украине ситуация обстоит с точностью наоборот. Лишиться какой-либо конечности в нашей стране равносильно приговору, а приобретение современного технического средства простому человеку, получившему увечья, не по карману. Поэтому сегодня мы поговорим лишь о достижениях мировой науки в этой области как о чем-то фантастическом, несмотря на то, что для европейцев и американцев все это давно стало реальностью. Речь идет и о широком ассортименте различного адаптивного оборудования (например, коляски с электродвигателем), и о новейших протезах, воплощающих в искусственном изделии все функции живой руки или ноги.

А прогресс впечатляет. Сегодня в сфере протезирования появилось такое направление, как «биомехатроника» — соединение робототехники и нервных клеток человека. Ученые, работающие в этом направлении, ставят перед собой задачу разработки искусственных конечностей, которыми можно будет управлять лишь силой мысли, а функциональность будет соответствовать живой конечности человека. Кроме того, ведутся работы и над остеоинтеграцией — сращиванием искусственного модуля и кости, что позволит обойтись без гильзы протеза. Можно предположить, что уже в скором времени человек, потерявший конечность, станет отчасти киборгом...

ПРОБЛЕМЫ ПРОТЕЗОВ: ВЕС И ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

По словам всех без исключения инвалидов ног (по статистике, чаще всего люди остаются именно без этих конечностей), с которыми автор этих строк общался в течение своей жизни, у отечественных протезов есть один существенный недостаток — слишком большой вес. — После нескольких лет тренировок я могу пройти в нем максимум 2 километра, после этого наступает сильная усталость, — говорит Виталий Охрименко, лишившийся ноги 10 лет назад в результате автоаварии. По его словам, намного проще дойти на костылях до инвалидной коляски, чем надевать протез.

Ситуация с протезами рук обстоит не лучше. Все модели, которыми оснащает наших инвалидов государство, являются механическими. То есть сгибать их нужно вручную, плюс они негибкие и служат недолго. Все, что остается делать обладателю таких устройств, это использовать их как элемент гардероба — чтобы не привлекать внимание окружающих.

Правда, винить в этом украинских медиков и производителей — грех. При том уровне финансирования, которое выделяется на протяжении последних 20-ти лет, нужно «радоваться», что есть хотя бы такие. Да и стоят наши протезы в 100 раз дешевле немецких. При этом стоит отметить, что многие новейшие разработки мирового уровня были разработаны именно украинскими учеными либо с их помощью — просто они не нашли применения в нашей стране, поэтому и выпускаются под европейскими, израильскими и американскими брендами. Уровень же выпускаемых в Украине моделей полностью соответствует уровню протезирования в конце 80-х прошлого столетия. Но наука с тех пор шагнула далеко вперед, а современные протезы (легкие, с электроприводом, датчиками и микропроцессором), постепенно дешевеют. Может, когда-нибудь станут доступны и для наших инвалидов?

НОВЫЕ КОЛЯСКИ: ЭЛЕКТРОПРИВОД ВМЕСТО МЕХАНИКИ

Коляска преодолевает ступеньки

Ситуация с инвалидными колясками обстоит немного лучше. Их изготовить проще, чем хороший протез — производят модели различных габаритов и грузоподъемности производители всех стран мира. Также существует множество модификаций: с регулируемыми, складными, съемными подлокотниками и подножками, со съемными колесами, стояночными тормозами, роликами против опрокидывания и с множеством других опций.

Современные коляски с электроприводом имеют принципиально другую ходовую часть, могут быть использованы как на улице, так и в помещении. Пульт управления находится на подлокотнике, но его, как правило, можно переставить с правой стороны на левую, установить посередине, или в ноги. Однако купить инвалидную коляску с электроприводом могут позволить себе лишь немногие украинские инвалиды — более-менее нормальная модель (которая будет и удобна, и надежна) стоит от 15 тыс. грн., тогда как механическую можно купить за 3—5 тыс. грн.

Электроскутер. Позволяет инвалиду полноценно передвигаться по улице

Новейшие модели впечатляют своими возможностями. Например, сейчас в продаже появились четырехколесные скутеры, пригодные для различных прогулок и переездов. Они оснащены системой освещения, указателями поворотов, клаксоном, звуковым оповещением при движении назад, независимыми передними колесами, подлокотниками, батареей и зеркалом заднего вида — фактически электромобиль, просто небольшой. Однако и цена на него кусается — от 70 тыс. грн. Электроколяску можно использовать и дома. Новые модели (от 80 тыс. грн.) оснащены электромеханизмом подъема в вертикальное положение — если наловчиться, можно полноценно вести домашнее хозяйство.   

КИБЕРНОГИ С ИНТЕЛЛЕКТОМ

Процессор управляет коленом

Современные протезы ног являются достаточно сложными, с технической точки зрения, устройствами. Так, современные модели со встроенными микропроцессорами можно программировать для более естественной ходьбы и других движений. Протез ноги состоит из двух ключевых элементов, на улучшение которых и направлены усилия разработчиков — коленного модуля и стопы.

КОЛЕНО. Довольно интересными разработками являются модели коленных модулей C-Leg. Эти протезы используют гидропривод с электромоторами, управляющие микропроцессоры и батарею, питающую все компоненты протеза. C-leg имеет три режима работы, переключение между которыми происходит с помощью пульта дистанционного управления. Управление алгоритмом гидравлической системы реализуется с помощью микропроцессора, 50 раз за минуту обрабатывающего входящую информацию от сенсора давления, и изменяет параметры работы: колени C-Leg задумываются о том, куда и как поставить искусственную ногу при ходьбе, способны передвигаться со средней «прогулочной» скоростью и даже позволяют езду на велосипеде.

Гидропривод — электромышцы

Другая разработка — электронный коленный шарнир Rheo Knee. Сложная сеть датчиков, интегрированная в модуль, регистрирует изменения и позволяет искусственной ноге «на ходу» вносить коррективы в свою работу. Микропроцессор контролирует параметры ходьбы при каждом шаге, фиксирует нагрузку и положение со скоростью 1000 раз в секунду во время фазы стояния и регулирует сопротивление движения в коленном шарнире, нагнетая или откачивая из искусственного коленного сустава намагниченную жидкость.

Пружина вместо сухожилия

ГОЛЕНОСТОП. Наиболее сложной частью ноги для воспроизведения по функциональности является ступня. В основе современного протезирования лежит сложная гидравлика, имитирующая основные положения, которые принимает стопа при ходьбе, стоянии, поворотах и даже танцевальных движениях. Группа ученых-исследователей из Массачусетского технологического института и университета Брауна представила на всеобщее обозрение самую первую роботизированную ступню. Данная модель способна двигаться, используя сухожилиеподобную пружину и электрический двигатель. А студентом Мичиганского университета был разработан протез ступни, экономящий силу при ходьбе. Этот протез отличается от других традиционных конструкций тем, что он более легкий и комфортный в эксплуатации, а также отсутствием внешнего источника питания.

Появились и так называемые «интеллектуальные» протезы. Например, компания Össur представила протез, способный на промежутке 15 шагов вычислить особенности походки и нагрузку его владельца, максимально точно запомнить «стиль хозяина» и в дальнейшем подстраиваться под него. Для этого протез оснащен процессором, отслеживающим движения тела.    

КИБЕРРУКИ С СЕНСОРАМИ

«Пальцы» управляются мыслью

Протезирование рук возможно с помощью двух принципиальных типов устройств: механических и биоэлектрических. Механические — протезы, как правило, максимально приближенные к внешнему виду руки, что позволяет человеку не выделяться из толпы. В некоторых случаях протез способен к захвату и удерживанию предметов с помощью бандажей, которые закрепляются к плечу, а при потребности кисть может заменяться на крюк (конечно, не такой, как в фильмах про пиратов, а более функциональный).

ЭЛЕКТРОМЫШЦЫ. Дальнейшее развитие связано с биоэлектрическими протезами. Такие механизмы имеют в своей конструкции электроды, считывающие ток, вырабатываемый мускулами при их сокращении. Затем эти данные передаются на микропроцессор, который посредством команд моторам приводит протез в действие. Протез выполняет функции вращения кистью, захвата и удержания предметов. При этом биоэлектрический протез позволяет пользоваться такими миниатюрными вещами, как шариковая ручка, ложка, вилка и тому подобными предметами.

«Рука» снимается для сервиса

КОСМОС. В области технологии создания искусственных рук трудно не отметить и сверхсовременный протез Luke Arm. В качестве привода используется компактный однокомпонентный... ракетный двигатель, аналогичный по конструкции ранее использовавшимся на космических шаттлах. В качестве топлива применяется перекись водорода: под воздействием катализатора топливо нагревается и выделяющийся в процессе пар открывает и закрывает клапаны, которые соединены с суставами протеза. Вся эта конструкция заменяет аккумуляторы и электромоторы.

Датчики передают ощущения

ЧУВСТВА. С точки зрения научно-технологического уровня бионической стоит отметить модель SmartHand. Как и в большинстве других конструкций, для управления SmartHand используются нервные окончания в культе ампутированной руки. Однако, данный протез уникален тем, что способен имитировать не только движения руки человека, но и воспроизводить ощущения от прикосновения к объекту. Все это реализуется с помощью четырех электродвигателей и 40 датчиков, которые активируются при прикосновении искусственными пальцами к объекту. Фактически, это и есть полноценная замена потерянной конечности.   

РОБОШТАНЫ ШАГАЮТ САМИ

Достижения в робототехнике позволили создать киберноги

Часто люди не могут ходить не только по причине утраты конечности, но и из-за проблем с мышцами. Новые научные достижения решают и этот вопрос. Например, многолетний опыт совершенствования известного робота ASIMO, а также собственные исследования по биомеханике человеческой ходьбы позволили японской компании Honda создать киберштаны, предназначенные для людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата. Человек с ограниченными возможностями надевает специальный механизм с сервоприводами, и они помогают ему ходить: компьютер командует парой электромоторов в соответствии с сигналами датчиков уровня, центра тяжести и с учетом угла сгибания коленей. Если человек перемещается в полуприседе или поднимается по лестнице, усилие моторов, поддерживающих вес владельца, увеличивается.

Новинка сейчас активно продается на рынке Японии, но по данным компании-разработчика, на следующий год намечено начало продаж в Европе и Америке. Главный ее недостаток — высокая цена (на уровне авто), что не по карману домам престарелых. Поэтому их планируют сдавать в аренду — $2 тыс. в месяц. Правда, со временем киберштаны станут дешевыми, и их будут надевать под или на обычные.