Первый в мире бионический человек. Я, киборг: Как работают искусственные конечности и экзоскелеты Бионические люди

никогда бы не поверил, если бы ему сказали, что настанет время, когда он не сможет даже завязать себе шнурки на ботинках. И если бы только шнурки!

Потеряв 5 лет назад обе руки во время несчастного случая при ударе электрическим током, рабочий из города Дэйтон в штате Теннесcи превратился в беспомощного инвалида. И оставался бы им до сих пор, если бы ему не помогло… одно из подразделений Пентагона.

Входящее в состав Министерства обороны США Управление перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ (DARPA), когда-то придумавшее Всемирную сеть Интернет, в числе других важных дел занимается сейчас проектированием сложных протезов рук, позволяющих их обладателям хотя бы отчасти восстановить свои прежние способности. Первый из них, 59-летний Джесси Салливан, получил недавно экспериментальный образец управляемой… мыслью механической конечности.

“Бионический человек”, как называют его доктора из Реабилитационного института Чикаго (RIC) - одного из партнеров DARPA, представляет собой живое чудо, созданное на основе самых современных высоких технологий. Врачи “заново провели в нем провода”, поместив разорванные нервы руки в мышцы груди. Теперь его мозг “чувствует” отсутствующую конечность и выдает нужные команды ее механическому дублеру.

Правда, чтобы как следует освоить протез, потребовалось время. Пациент должен был как следует прочувствовать и запомнить, как передавать мысленные приказы исполнительным органам протеза. “Зато сейчас, - говорит он, - я поднимаю мою фантомную руку точно так же, как это делаете вы”.

Лабораторный образец протеза, который Джесси испытал в RIC, позволяет ему делать 6 различных движений. Например, взять бутылку и выпить из нее.

Заменить потерянные руки и кисти намного труднее, чем ноги и ступни. В то время как наши запястья и руки обладают более чем 20 “степенями свободы”, ноги и лодыжки ограничиваются только 6-ю. А самая совершенная “моторизованная” рука выполняет пока только 3 движения - медленно и последовательно, одно за другим.

“Половина людей, которые нуждаются в этих протезах, не будет пользоваться ими - так они уродливы и так мало возможностей предоставляют своему владельцу”, - говорит полковник Джеффри Линг из DARPA, военный врач, служивший в Ираке и Афганистане, где он и задумал свой более совершенный проект.

Линг собрал для этого сильную команду из ученых, инженеров, врачей и деловых людей и подчинил их работу военной дисциплине. Поставленная цель - протез, который весит не более 8 фунтов, как живая человеческая рука, и позволяет производить 22 независимых движения. Последнее означает, что с таким протезом инвалид сможет играть на фортепьяно или вдевать нитку в иголку.

“Американские солдаты, которые получают уечья в Ираке и Афганистане будут жить еще лет 60, - говорит Стюарт Харшбаргер, инженер Лаборатории прикладной физики медицинской школы Джонса Хопкинса, ведущего партнера DARPA. - И мы хотим дать им шанс вести почти тот же образ жизни, которым они наслаждались прежде”.

Правительство выделило на создание более совершенного протеза около 50 млн долларов на следующие 4 года. Но и сама механическая рука не будет дешевой. Самый крупный в мире изготовитель протезов компания Otto Bock HealthCare ожидает, что ее опытный образец будет стоить приблизительно 100 тысяч долларов.

В то время как ветераны получат протезы бесплатно, большинство гражданских страховых компаний не будут покрывать их получение. Поэтому даже с такими высокими ценами компания надеется только на то, что не понесет убытков. По крайней мере, на первых порах, пока технология не подешевеет.

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

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 . Сила сигнала просчитывается компьютером, и Деннис стал ощущать размер, форму и текстуру объекта.

Бионические протезы в России

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 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?

Бионика – прикладная наука, изучающая возможность объединения живых организмов и технических устройств, – сегодня развивается очень быстрыми темпами. Благодаря новейшим протезам и имплантатам, улучшенной интеграции с нервной системой, а также компактным, но мощным источникам энергии, человек сможет полностью преобразиться. Ведь потенциал бионики поистине безграничен…

Стремление обладать способностями, превосходящими те, что подарила нам природа, сидит глубоко внутри каждого человека – это подтвердит любой тренер по фитнесу или пластический хирург. Наши тела обладают невероятной способностью к адаптации, но есть вещи, которые им не под силу. Например, мы не умеем разговаривать с теми, кто находится вне пределов слышимости, мы не способны летать, да и бутылку вина голыми руками не все из нас могут открыть. Поэтому нам нужны телефоны, самолеты и штопоры. Чтобы компенсировать свое несовершенство, люди издавна применяли различные «внешние» приспособления, однако с развитием науки инструменты постепенно уменьшались и становились все ближе к нам.

Кроме того, каждый знает, что если что-то случится с его телом, то доктора проведут «ремонт», используя наиболее современные медицинские технологии.

Если сложить вместе эти две простые концепции, мы сможем получить представление о следующем шаге эволюции человека. В будущем врачи смогут не только восстанавливать «поврежденные» или «вышедшие из строя» организмы, они начнут активно улучшать людей, делать их сильнее и быстрее, чем это удалось природе. Именно в этом заключается суть бионики, и сегодня мы с вами стоим на пороге появления человека нового типа. Возможно, им станет кто-то из нас…

Одним из многих примеров, иллюстрирующих процесс трансформации «внешних» инструментов во «внутренние» и перехода от починки к замене, является глаз. Когда-то давно, если у человека портилось зрение, ему приходилось с этим мириться. Затем были изобретены очки, позволившие почти любому вернуть себе заветную «единицу». Дальше были контактные линзы, а еще чуть позже появилась технология лазерной коррекции, которая позволяет физически устранять дефекты органов зрения.

Однако все это, по сути, ремонт. Вместе с тем мы многие века совершенствовали наши оптические «инструменты»: телескопы появились еще в XVII веке, поэтому сегодня бионика учится улучшать зрение, причем, что называется, «на месте» – непосредственно внутри глаза. Одни из самых удивительных разработок в этой области проводятся в Вашингтонском университете, где доцент кафедры электротехники Бабак Парвиз помещает различные сенсоры и электрические схемы прямо на контактные линзы. Цель этой работы – изготовить многофункциональные линзы, которые не только помогут видеть, но также создадут «улучшенную» реальность, пользователь которой сможет увеличивать масштаб изображения, получать доступ к GPS-данным и другим источникам информации. Когда же такие линзы попадут в один из обзоров нашего журнала?

«Скорее всего, не в следующие десять лет, но, несомненно, еще при нашей жизни», – утверждает Парвиз. Впрочем, если появления коммерческого образца этой системы еще придется подождать, то улучшить свои глаза вы можете уже сейчас. Знаменитый американский гольфист Тайгер Вудс прибег к помощи лазерной хирургии и теперь видит лучше большинства «обычных» людей.

Когда Вудс провел своим глазам апгрейд, многие другие гольфисты захотели последовать его примеру, тем самым подтвердив один из главных принципов бионики: «Если ты недостаточно хорош – исправь это!» Однако есть места, где превосходство над соперником гораздо важнее, чем на площадке для гольфа. Мы говорим о поле боя. Именно поэтому английских солдат регулярно отправляют для улучшения зрения в специальную глазную больницу Мурфилд. Шутят, что после процедур бойцы начинают видеть так хорошо, что им уже не нужны оптические прицелы, и хотя это звучит забавно, сама идея явно заслуживает внимания.

Глаза – не единственные органы солдата, которые можно усовершенствовать. Армия США является лидером в разработке бионических конечностей. Раньше бойцов, потерявших руку или ногу, эвакуировали и увольняли, но скоро их будут снабжать биопротезами и возвращать в строй. «Мы хотим, чтобы решение увольняться или оставаться в армии принимал сам солдат, а не его ранение», – говорит Джен Уокер из Агентства передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA).

Чаще всего военнослужащие теряют ноги. Сегодня ножные протезы стали невообразимо сложными. В модели C-Leg германской фирмы Otto Bock и в Rheo Knee исландской компании Ossur используются гидравлические приводы, моторы, микропроцессоры и интеллектуальное программное обеспечение, благодаря чему эти устройства позволяют владельцам с комфортом ходить по разным поверхностям.

Главный минус таких протезов – их «внешний» характер. То есть пользователю приходится носить их, как одежду, а через некоторое время они неизбежно изнашиваются и становятся очень неудобными. И тут бионика снова предлагает выход – остеоинтеграцию: сращивание искусственного модуля и кости. Гордон Бланн из Университетского колледжа Лондона является одним из ведущих исследователей в этой области. В своей лаборатории он делает пористые титановые имплантаты, которые эффективно срастаются с кожей, мышцами и костной тканью, становясь в результате неотъемлемой частью организма носителя.

Но если с бедрами и голенями все относительно просто, то со ступнями дела обстоят намного сложнее. Одно из существующих решений – PowerFoot One. Эта система, созданная при финансовом участии Научно-исследовательского центра телемедицины и передовых технологий США (TATRC), использует сложную гидравлику для имитации основных положений, которые принимает стопа, когда человек идет, останавливается, поворачивает или танцует. Конечно, PowerFoot One еще далеко до настоящей стопы, но работы не прекращаются…

«В будущем появится возможность создания искусственных частей тела, превосходящих естественные», – считает профессор Массачусетского технологического института Хью Херр, чья лаборатория изобрела PowerFoot One. Еще одна интересная разработка – спортивный протез Cheetah Flex-Foot, получивший широкую известность благодаря истории Оскара Писториуса, знаменитого спортсмена с ампутированными ногами. Международная федерация легкой атлетики отстранила Писториуса от соревнований с обычными соперниками, посчитав, что карбоновые J-образные «ноги» обеспечивают бегуну необоснованное преимущество, поскольку, работая как пружины, они накапливают энергию при сжатии и выдают 90% этой энергии при распрямлении. Это звучит убедительно, но спортивным чиновникам следовало бы знать, что нормальная человеческая нога возвращает более 200% энергии…

«Искусственные конечности могут качественно выполнять определенные задачи в течение коротких периодов времени, – рассказывает Пит Мур, автор исследования по бионике, названного «Улучшаю себя», – однако им не под силу имитировать все функции своих естественных аналогов, они недолговечны, а также не способны к регенерации».

Профессор Энди Мая, являющийся не только ученым, но и колумнистом газеты The Guardian, а также экспертом по технике и культуре, добавляет: «Бионические системы очень специфичны. Писториус может быстро бегать на своих протезах, но ему нелегко стоять на них без поддержки». А что если они сломаются? Согласитесь, мы редко осознаем, насколько универсальны наши естественные части тела, а также то, что наш организм умеет самостоятельно «чинить» их.

Впрочем, впадать в отчаяние не нужно – бионические органы пока еще находятся на начальной стадии развития. Первые мобильные телефоны тоже были предназначены исключительно для совершения звонков, а современные модели служат нам в качестве записных книжек, дневников, камер, навигаторов и многого другого. Если разработчики сумели сделать многофункциональными мобильники, то наверняка подобное удастся им и в случае с искусственными конечностями.

Основная задача – определить все функции настоящей ноги и воплотить их в искусственной. Множество бионических устройств, в том числе Flex-Foot и PowerFoot One, пока что не похожи на свои природные прототипы, однако скоро эта проблема будет решена благодаря искусственной коже. Например, протез руки i-LIMB Hand, созданный компанией Touch Bionics, покрыт удивительно естественной имитацией кожи. Изобретатель i-LIMB Дэвид Гау считает, что искусственные части тела однажды превзойдут настоящие по своим эстетическим качествам. И действительно, кто знает, что именно мы будем считать привлекательным в будущем…

Сегодня есть немало мужчин, которым нравится силиконовая грудь, а, возможно, через несколько лет они будут превозносить достоинства искусственных ног, рук, лимфатических желез и мозгов. Кстати, многие военные с бионическими протезами предпочитают не скрывать их и выглядеть подобно Терминатору. Для таких «эстетов» Touch Bionics предлагает i-LIMB в прозрачном корпусе. И в этом есть смысл: как вы думаете, кто больше напугает противника на поле боя – идущий на него человек или киборг?

Несмотря на существование i-LIMB, технологии создания искусственных рук до недавнего времени значительно отставали от разработок в области ножных протезов. Но так было до появления сверхсовременной бионической руки Luke Arm, созданной Майклом Голдфарбом из Университета Вандербильта и компанией Deka Research. Luke Arm названа в честь знаменитого ампутанта Люка Скайуокера из «Звездных войн». Несмотря на то, что Luke Arm не имеет встроенного светового меча, она в десять раз сильнее аналогичных моделей, поскольку вместо аккумуляторов и электромоторов оснащена миниатюрным ракетным двигателем, работающим на перекиси водорода. Управление построено на технологии мускульной реиннервации позволяющей пациенту отдавать протезу мысленные команды.

Искусственные конечности – это отличная новость для тех, кто потерял естественную часть тела, но почему бы не дать супервозможности здоровым людям? Для этого были придуманы экзоскелеты – устройства, увеличивающие силу и выносливость пользователя.

Японская корпорация Cyberdyne носит то же имя, что и компания, начавшая ядерный Армагеддон и натравившая на людей армию роботов-убийц в фильмах о Терминаторе (надеемся, что такое совпадение – не повод для беспокойства). Cyberdyne создала HAL – экзоскелет для пожилых японских фермеров, которые в силу возраста не могут самостоятельно возделывать свои поля. Но это в миролюбивой Японии, а в США компании Sarcos и Raytheon разработали экзоскелет, позволяющий владельцу поднимать предметы весом до 95 килограммов, причем делать это снова и снова до истощения заряда аккумулятора (а это пока что серьезная проблема для подобных систем).

Лидером же является фирма Berkeley Bionics, чье устройство HULC было запущено в производство в текущем году. HULC – полнофункциональный экзоскелет для нижних конечностей, дающий пользователю возможность переносить те же самые 95 килограммов груза.

Все эти гаджеты великолепны, но среди задач, возникающих при попытках сымитировать функции человеческих органов, самая сложная – это создание эффективной системы управления. Для автомобилей придуман руль, для компьютерных игр – джойстик, а как быть с рукой или ногой? До последнего времени повсеместно использовались различные решения, в основе которых лежал джойстик, но сейчас появились два новых перспективных подхода. В первом случае пациент двигает различными мышцами и таким образом «сообщает» бионическим компонентам, что они должны делать. Во втором управление осуществляется напрямую – мысленно.

Первый метод применяется в i-LIMB. Вот как это работает: человек напрягает определенные мышцы; подключенные к ним датчики воспринимают электрические сигналы, заставляющие мышечную ткань сокращаться (миоэлектрические импульсы, если называть вещи своими именами); а датчики в свою очередь, передают команды протезам. Более совершенная версия этой системы разрабатывается в лаборатории Тодда Куикена в Чикагском институте реабилитации и называется «направленной мышечной реиннервацией».

Подход Куикена подразумевает использование собственной нервной системы человека: нервы, которые до травмы шли к ампутированным конечностям, «подключают» к мышцам груди. Поскольку ранее эти нервы контролировали руку, мозг продолжает думать, что они все еще делают то же самое. Ну а поскольку мышцы груди устроены так, чтобы много двигаться, датчикам проще принимать миоэлектрические импульсы именно от них. Итак, когда мозг активизирует определенный нерв, мышцы груди сокращаются и посылают протезам отчетливый электрический сигнал. «Я просто думаю о том, как двигаю своей рукой, и она меня слушается», – рассказывает один из пациентов Куикена, которому установили Luke Arm.

Однако главная цель подобных исследований – создание нейрокомпьютерного интерфейса (НКИ), первые прототипы которого уже сейчас проходят тестирование на людях. Имплантаты BrainGate производства компании Cyberkinetics помогают нескольким пациентам управлять своими конечностями силой мысли. Кевин Уорвик наглядно доказал жизнеспособность этой концепции, взяв под контроль роботизированную руку с помощью имплантата BrainGate, подключенного к нервной системе.

А раз мозг теперь способен давать команды бионическим органам, то было бы неплохо, чтобы данная связь имела двусторонний характер. Тогда мы бы не только могли приказывать конечностям двигаться быстрее или медленнее, поворачивать влево и вправо, но также принимали бы сигналы, идущие в обратном направлении. Это позволило бы «чувствовать» поверхность под ногами и знать, когда нужно прекратить сжимать руку в рукопожатии.

Передача импульсов в мозг – это фактически загрузка информации. При таком взгляде на вещи перед учеными открываются поистине безграничные перспективы. «Мы пока еще далеки от того, чтобы закачивать данные прямо в мозг и наполнять голову знаниями, как это делали герои «Матрицы», – говорит Десни Тан из Microsoft, – но я с нетерпением жду, когда мы начнем это делать. Вот почему наша компания инвестирует в нейроинженерные проекты уже сегодня». Энди Мая мечтает примерно о том же: он с уверенностью смотрит в будущее и видит тот день, когда «биочипы помогут нам стать универсальными информационными системами».

Научившись улучшать обычные человеческие функции (такие как бег, подъем и переноска предметов, способность видеть и слышать), ученые займутся апгрейдом органов чувств и созданием новых возможностей. На практике это воплотится в инфракрасном или ультразвуковом видении, подключении мозга к GPS, а также прямом мысленном доступе к так называемым облачным компьютерным системам.

Кстати, мы ведь даже не коснулись темы генной инженерии и нанотехнологий, которые позволят создавать невообразимо маленькие самокопирующиеся устройства, такие как робот на основе ДНК, разработанный в Нью-Йоркском университете.

А вы слышали про респироцита, которого изобрел Роберт Фрайтас из американского Института молекулярной технологии? Это бионический аналог красного кровяного тельца – эритроцита. Наноробот респироцит способен переносить в 236 раз больше кислорода, чем обычная кровяная клетка, поэтому с такой «кровью» вы больше никогда не почувствуете усталость. «Возможно, респироциты появятся уже во второй половине 20-х годов нынешнего столетия, – считает Фрайтас, – а нанороботы получат широкое применение в медицине в 2030-х».

В таком утопическом будущем мы превратимся в сложные информационные системы со сверхвозможностями, а сегодняшние «здоровые» люди будут казаться нам неполноценными. Однако это может привести и к неприятным последствиям. Возможно, понадобятся правовые механизмы воздействия на «улучшенцев», призванные не допустить их доминирования над запуганными воинствующими «нормалами». Хотя постойте… это же сценарий «Людей Икс». Стало быть, можно надеяться, что все обойдется…

Он ходит, он говорит, у него бьётся сердце, но он не человек – он первое в мире полностью бионическое существо. Это существо было «оживлено» 20 октября в 18 часов вечера.

Подобно монстру Франкенштейна, собранному из частей множества тел, бионический человек представляет собой сплав самых продвинутых человеческих протезов – от роботизированных конечностей до искусственных органов и синтетической кровеносной системы.

Его созданием руководили английские робототехники Рич Уокер и Мэтью Годден из Shadow Robot Co, собирая бионического человека из протезов и искусственных органов, которые им предоставили множество лабораторий по всему миру.

Робот стоимостью почти 1 миллион долларов смоделирован во многих физических аспектах по образу Бертольта Майера, социального психолога из Университета Цюриха, который носит одну из самых продвинутых бионических рук в мире.

У нового бионического человека такой же протез, как и у Майера - i-LIMB, изготовленный Touch Bionics, с вращающимся запястьем и моторами в каждом пальце. На сегодняшний день его возможности просто потрясают.

Также у робота пара бионических коленей и ступней от компании BiOM из Бедфорда, Массачусетс, спроектированных биоинженером Хью Герром из Массачусетского технологического института, который потерял свои ноги после того, как оказался захваченным сильной вьюгой во времена своей молодости.

Для поддержки своих искусственных ног бионический человек носит роботизированный экзоскелет, названный «Rex», который изготовлен REX Bionics из Новой Зеландии.

Но на этом дело не кончается –помимо конечностей, он располагает почти полным комплектом искусственных органов, включая синтетическое сердце, кровь, лёгкие (и трахею), поджелудочную железу, селезёнку, почки и работающую кровеносную систему.

Вдобавок ко всему, искусственный «мозг» бионического человека может имитировать некоторые функции человеческого мозга. У него есть искусственные глаза, которые дают ограниченное зрение слепым людям. А также у него есть кохлеарный имплантат, система распознавания речи и собственно речевая система.

Инженеры оснастили бионического человека изощрённой программой чат-ботом, которая может эффективно поддерживать беседу. Единственной проблемой является то, что, по словам Уокера, в неё заложена личность «раздражающего 13-летнего мальчика из Украины».

Но, пожалуй, самой нервирующей частью бионического человека является его искусственное лицо. Оно является точной репликой лица Майера, однако когда сам Майер увидел его, то возненавидел с первого взгляда, заявив, что оно «странное».

В итоге, бионический человек успешно имитирует примерно две трети человеческого тела. Однако ему не достаёт нескольких крупных органов, включая печень, желудок и кишечник, которые до сих пор слишком сложны, чтобы воссоздать их в лаборатории.

Следует сказать, что создание этого бионического человека поднимает некоторые этические и философские вопросы: Является ли создание чего-то настолько человекоподобного угрозой нашему пониманию, что вообще означает быть человеком? Какое количество усовершенствований человеческого тела можно считать приемлемым? И насколько правильно, что лишь исключительно небольшое количество людей имеет доступ к таким продлевающим жизнь технологиям?

Вопрос о доступе к подобным технологиям является самым проблемным, говорит Уокер. «Это напоминает нам, что сохранение жизни и качество жизни в нашем мире превратились в технический и экономический вопрос».