Бионическая нога что это такое
Бионические протезы: на что они способны, и когда мы станем киборгами?
Бионические протезы позволяют людям, оставшимся без ноги или руки, жить полноценной жизнью. Но по факту ими пользуются лишь 10% людей, лишившихся конечностей. Могут ли бионические протезы в будущем сделать из нас киборгов? И почему этого еще не произошло?
Как устроены бионические протезы?
Бионическим считается протез, который частично или полностью заменяет утраченный орган и выполняет его функции. Важно: к бионическим не относят косметические протезы, которые просто создают видимость руки или ноги. Например, рука, которая не двигается, а просто висит — это косметический протез. А если она может сгибаться и двигать пальцами — бионический.
Самые простые бионические протезы — механические: они сгибаются и разгибаются за счет оставшихся мышц. В более сложных используют датчики, которые реагируют на нервные импульсы и воспроизводят более сложные движения — даже мелкую моторику. Наконец, сейчас появились протезы, которые соединены с мозгом, и отвечают на его сигналы напрямую, минуя мышцы.
Но обо всем по порядку.
Эволюция бионических протезов
Первые протезы появились более 3 тыс. лет назад, в Древнем Египте. Это были деревянные пальцы, которые защищали от мозолей при ходьбе в сандалиях.
В XVI веке немецкий рыцарь Готфрид носил железную руку, чьи пальцы сгибались при нажатии кнопки на ладони. Пишут, что с ее помощью он мог даже писать пером.
В XVIII—XIX веках в Викторианской Англии носили механические устройства, которые приводились в движение с помощью рычагов и гибких тросов. Протезы становились более функциональными — у них больше подвижных суставов — и эстетичными: их форма все больше похожа на настоящие конечности. Некоторые даже украшали чеканкой или гравировкой.
В XX веке протезы делают тяговыми: чтобы согнуть или разогнуть конечность, нужно потянуть за рычаг. На смену дереву и железу приходят облегченные металлы и пластик. В итоге протезы становятся легкими — исчезает дисбаланс между травмированной частью тела и здоровой. Пластиковые модели еще и выглядели максимально реалистично, помогая обладателю справляться со стеснением при ношении протеза.
Наконец, в 1958 году впервые прозвучал термин «бионический»: его придумал военный врач Джек Стил, занимавшийся медицинскими и аэрокосмическими исследованиями. Он исследовал природные процессы и структуры, а затем использовал их для военных разработок. В том же году в СССР разработали первую микроэлектрическую руку.
Вдохновленный исследованиями Стила, американский писатель-фантаст и авиационный эксперт Мартин Кейдин выпустил в 1972 году книгу «Киборг», где впервые описал «бионических людей».
Первую бионическую руку в современном понимании этого слова сделали в 1993 году для Джона Кэмпбелла. Она приводилась в движение за счет датчиков, подсоединенных к мозгу и спрятанных под кепкой.
В 2007-м канадская Touch Bionics представила i-limb — первый широко доступный бионический протез. Эта рука весила всего 25 кг, обладала тонкими пальцами и открывала больше возможностей для мелкой моторики: от работы с мышкой до завязывания шнурков. Протез крепится на гильзе, легко закручивается и откручивается.
В 2010-м компания BeBionic представила на Международном конгрессе по протезированию и ортопедии в Лейпциге первый серийный протез. А первый широко доступный — Symbionic Leg — выпустила в 2011-м исландская Össur. В 2013 году она дополнила модель микропроцессорным управлением: теперь протез подстраивался под походку своего владельца.
Следующим этапом стали протезы, управляемые при помощи мозга. В 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны США (DARPA) испытала такой во время полета на авиасимуляторе F-35: им управляла парализованная женщина с помощью механических рук.
В 2018 году появились первые протезы для глаза — Argus II. Он помогает частично восстановить зрение за счет электростимуляции оставшихся клеток.
Современные протезы используют разработки робототехники, умеют имитировать индивидуальные жесты, передавать тактильные ощущения. Наконец, экзоскелеты — это переходный этап: они не заменяют утраченные органы, а дополняют, расширяя возможности человека. С их помощью люди без физподготовки могут поднимать тяжести, а парализованные — двигаться.
Сколько стоят бионические протезы (и почему так дорого)
В России бионическая рука обойдется от 100 тыс. до 1,5 млн руб.
Пока протезы так и не стали массовыми, а их разработки обходятся достаточно дорого, объединяя инженеров, биологов, медиков. При этом создаются протезы каждый раз индивидуально: гильза, к которой крепится бионическая рука или нога должна идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого приходится делать несколько моделей, а на тренировки и реабилитацию уходят недели.
В большинстве случаев протезы оплачивает страховая компания или государство — как в России. Но для этого нужно пройти много инстанций и медкомиссию, и выбор моделей будет очень узким.
Самые-самые: руки из Lego, ноги для спортсменов и супермоделей
В последние годы бионические протезы выполняют не только свою основную функцию — они стали чем-то большим: образом жизни, увлечением и даже модным аксессуаром.
Что такое нейропротезирование? Это вредно?
Что такое нейропротезирование? Это вредно?
Приходит время поздороваться с будущим: управляемые человеческим мозгом роботы уже начинают входить в нашу повседневную жизнь.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Раньше нам казалось, что протезы, управляемые нашим мозгом — это лишь плод воображения писателей и режиссеров фантастических фильмов, что это все будущее, и нам до него далеко. Но ведь это самое будущее уже наступает: благодаря развитию науки, в особенности нейробиологии и биоинженерии, многие люди, потерявшие конечности или парализованные, получили второй шанс. Шанс ощутить прикосновение любимого человека, шанс держать его за руку, шанс пройтись по улице, шанс видеть и слышать. Так что же такое нейропротезирование, как мозг может управлять протезом и как люди обретают второй шанс на нормальную жизнь?
Конкурс «био/мол/текст»-2017
Эта работа опубликована в номинации «Биомедицина сегодня и завтра» конкурса «био/мол/текст»-2017.
Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».
Помните Капитана Крюка, который имел протез кисти в виде крюка? Разнообразие протезов, начиная с древности и до современности, заставляет нас удивляться, насколько изобретателен человеческий разум, создавший, например, протез пальца египтянки, жившей 3000 лет назад [1], железную руку Берлихингена и т.д. Однако люди, потерявшие конечность, больше не могли чувствовать ею что-либо. Возможно, это было одной из причин, по которой люди отказывались от протезов. И вот на смену обычным протезам пришли более прогрессивные, которые могут управляться «силой мысли», которые стали более удобными в использовании и не доставляют дискомфорта. Наступила эра нейропротезов!
Этап первый: кохлеарные аппараты
Самый популярный и самый первый по времени разработки — кохлеарный имплантат. В 1748 году Бенджамин Уилсон использовал лейденскую банку, чтобы стимулировать слух у глухой женщины. В 1957 году два французских врача имплантировали во внутреннее ухо пациенту устройство, которое непосредственно стимулировало слуховой нерв. Вскоре после этого в 1961 году доктор Уильям Хаус разработал первый кохлеарный имплантат с одноканальными электродами. Затем в конце 1970-х были разработаны имплантаты с многоканальными электродами [2]. Использование многоканального электрода позволило создать более сложный и реалистичный сигнал, за счет стимуляции улитки.
Имплантат состоит из внешней части, которая находится за ухом, и внутренней, которую хирургически помещают под кожу (рис. 1). Имплантат состоит из следующих устройств:
Рисунок 1. Схематическое изображение уха с кохлеарной имплантацией. Микрофон и речевой процессор (внешнее устройство) принимают звуковые сигналы от внешнего мира и передают информацию в приемник/стимулятор (внутреннее устройство), который соединен с электродной решеткой.
Имплантат не восстанавливает нормальный слух, зато помогает понять речь окружающих.
Кохлеарный аппарат сильно отличается от слухового аппарата тем, что слуховые аппараты усиливают звуки, чтобы их можно было обнаружить поврежденными ушами. Кохлеарные имплантаты обходят поврежденные участки уха и непосредственно стимулируют слуховой нерв. Сигналы, генерируемые имплантатом, отправляются через слуховой нерв в мозг, который распознает их как звук. Слух через кохлеарный имплантат отличается от обычного слуха и требует времени для изучения или переучивания. Благодаря имплантату люди могут понимать речь других людей и звуки окружающей среды.
Текущей областью исследования является разработка полностью имплантируемого устройства. Для воплощения этого в реальность нужно, чтобы микрофон был малым и очень чувствительным. Кроме того, аккумуляторная батарея должна иметь достаточно долгий срок службы и самозаряжаться, а вся система должна быть достаточно мала, чтобы полностью имплантироваться.
Этап второй: робо-руки и робо-ноги
Что такое интерфейс «мозг—компьютер»? Какие способы передачи сигналов существуют? Что такое неропротезирование? Это вредно? Предназначена ли протезная нога для каблуков?
Интерфейс «мозг—компьютер»
До недавнего времени мечта о возможности контролировать окружающую среду «силой мысли» была в области научной фантастики. Однако продвижение технологий принесло новую реальность: сегодня люди могут использовать электрические сигналы активности мозга, чтобы взаимодействовать с ними, влиять или изменять их среду. Технология интерфейса «мозг—компьютер» или нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) может позволить людям, неспособным говорить и/или использовать свои конечности, снова общаться или управлять вспомогательными устройствами для ходьбы и манипулирования объектами [3]. Пользователь и НКИ работают вместе. Пользователь после периода обучения начинает генерировать сигналы мозга, которые кодируют намерение, а НКИ, также после обучения, обнаруживает эти сигналы, декодирует и переводит их в команды на устройство вывода, которое выполняет намерение пользователя.
Что же такое нейропротезирование? Это вредно?
Нейропротезирование или нейронное протезирование — это область биомедицинской инженерии и нейробиологии, связанная с разработкой нейропротезов и их эксплуатацией. Систему впервые применили для замены сенсорной и двигательной функций. И ученые исследуют разные варианты доставки сигналов в нервную систему. На рисунке 2 изображены известные на данный момент способы [4].
Рисунок 2. Способы доставки сигналов от датчиков в нервную систему. Узловые сенсоры располагаются в местах сгибания механических пальцев. Контактные сенсоры — сенсоры, контактирующие с предметами. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.
Исследователи протезирования теперь пытаются предоставить протез, который будет чувствовать предметы не хуже настоящей руки, а возможно, даже лучше. Ведь такой протез может поднять предметы весом до 20 кг!
Способы доставки сигналов разделяются на электрическую стимуляцию нервов в культе (рис. 2а), перенаправление нервов на другие участки тела (например, на грудные мышцы) (рис. 2б) и прямое поступление импульсов в мозг и обратно (рис. 2в)
Что такое целевая реиннервация?
После ампутации конечности в организме остаются двигательные нервы, которые ее контролировали. Остатки нервов можно хирургическим путем перенести на маленький участок какой-нибудь крупной мышцы (это и называется реиннервацией). Например, к большой грудной мышце, если речь идет об ампутированной руке. В результате человек думает, что надо бы пошевелить пальцем. Мозг отправляет сигнал участку грудной мышцы, к которой присоединили нерв, шедший раньше к пальцам. Сигнал фиксируют электроды, которые отправляют импульс по проводам в процессор внутри роботической руки. Тут помогает электромиография. Эта технология позволяет регистрировать разность электрических потенциалов, возникающих при работе мышцы. Она улавливает движение реиннервированного участка грудной мышцы, после чего сигнал передается к нужной части протеза, и эта часть двигается.
Аналогичным образом осуществляется целевая сенсорная реиннервация. Она нужна для того, чтобы при помощи протеза человек мог чувствовать прикосновение, тепло или давление. Тут все в обратном порядке. Хирург перешивает уже оставшийся чувствительный нерв к участку кожи на груди. А сенсоры на протезе передают сигнал от прикосновения к этому самому кожному участку. И человек испытывает тактильные ощущения.
Первым пациентом, получившим эту «целевую реиннервацию», был Джесси Салливан, инженер-энергетик, который потерял обе руки из-за электрических ожогов. После того, как нервы рук были перенаправлены на его грудные мышцы, Салливан смог управлять протезными руками, просто думая о действиях (рис. 3). Но, к всеобщему удивлению, он также почувствовал, когда его груди коснулись. Будто бы коснулись его рук. Оказалось, что перенаправленные нервы вросли в кожу груди, и его мозг интерпретировал сенсорные сигналы в исходящие из его руки. Отдельные участки груди отвечали за касание ладони, другие же за касания пальцев и предплечья.
Рисунок 3. Джесси Салливан с нейропротезами.
Примером также может послужить Мелисса Лумис, проживающая в Кантоне, она потеряла руку в 2015 году. Ее покусал енот, и, хотя повреждения были не слишком сильными, инфекция, попавшая в рану, привела к сильному заражению. Очаг заражения находился в предплечье, которое пришлось ампутировать, поскольку под угрозой была жизнь пациентки. Женщине также сделали «целевую реинннервацию», только остатки нервов направили не на грудную мышцу, как было с Джесси, а в двуглавую мышцу плеча (видео).
«Я впервые чувствую предметы через протез», — говорит Мелисса.
Видео. Протез для Мелиссы.
А что, если связь нервов со спинным мозгом разорвана? Как тогда будут поступать сигналы в головной мозг от протеза?
Действительно, если разорвана связь со спинным мозгом вследствие травмы или заболевания, то методы перенаправления нервов или использование оставшихся нервов в культе не будут работать. Поэтому исследователи придумали другой изощренный подход: забраться в головной мозг (рис. 2в) и стимулировать определенный участок. Забраться в мозг не так уж и трудно, тем более что определенные участки мозга контролируют определенные части тела. Человеком, впервые испытавшим на себе такую методику, был 56-летний Билл Кочевар. Он оказался парализован в результате несчастного случая и смог пошевелить телом ниже плеч благодаря новой технологии имплантации.
Предназначена ли протезная нога для высоких каблуков?
Рисунок 4. Тестирование лодыжки.
Этап третий: бионический глаз — реальность или вымысел?
Со словами «бионический глаз» у нас ассоциируются самые разные вещи: у кого-то Терминатор, у кого-то Вселенная DC и комиксы, у кого-то высокие технологии протезирования, а у кого-то вообще нет никаких ассоциаций. Чем на самом деле является бионический глаз?
Рассмотрим рисунок 5.
Рисунок 5. Схема устройства Argus ll.
Миниатюрная камера, установленная на очках, используется для захвата изображения. Затем эти изображения анализирует портативный процессор и преобразует в электронный сигнал. Импульсы сигнала транслируются на имплантат по беспроводной сети через радиочастотные катушки. Полученный сигнал передается в электродную решетку, управляющую нервными элементами сетчатки (то есть биполярными и ганглиозными клетками) [6–8]. Именно здесь начинается обработка сигнала, и далее интегрируется, когда он проходит через зрительный нерв на зрительную кору для окончательного восприятия визуального изображения. Общая методика заключается в электрическом стимулировании зрительных путей с помощью протеза зрения или «бионического глаза». Суть стимуляции — в вызывании активности нейронов на участке, который остается функциональным независимо от основной причины слепоты.
Как мы остановим хакеров от вторжения в наши мозги, когда мы будем киборгами?
Стремительно развиваются взаимодействия между мозгом и компьютером. И эти технологии могут в конечном итоге превратить людей в настоящих киборгов. Однако до того как это случится, нам нужно удостовериться в безопасности нейронных устройств и защите их от хакерских угроз.
С мечтами о нашем светлом кибернетическом будущем исследователи опубликовали на портале Science свою работу Help, hope, and hype: ethical dimensions of neuroprosthetics [9]. Авторы поставили себе задачу не только описать те возможности, которые перед нами откроет сфера нейротехнологий, но и привелчь общественное внимание к тем опасностям, которые могут подстерегать нас на пути к этому сверхвысокотехнологичному будущему.
У всех таких технологий, к сожалению, есть и обратная сторона. Вокруг этой области начинают появляться серьезные этические вопросы, и поэтому самое время начать думать о том, каким образом нейропротезирование и сфера разработок мозг—машинных интерфейсов могут привести к злоупотреблениям в будущем, а также о том, как от этого защититься.
Уже сейчас мозг—машинные интерфейсы можно использовать для того, чтобы, управляя роботизированной рукой, схватить чашку или, смотря на экран компьютера, выбрать определенное слово в тексте. Но когда-нибудь такие устройства, только более продвинутые, будут использоваться как аварийным работником для ликвидации опасной утечки газа, так и мамой ребенка, у которой не хватает лишних рук, чтобы успокоить своего плачущего малыша. Что, если в этой ситуации что-то пойдет не так, например, робот-нянька случайно выронит ребенка? Важно задать себе вопрос: где начинается и заканчивается зона ответственности, и кто в таких случаях должен быть признан виновным? Была это ваша оплошность по невнимательности или ошибка робота? Как сравнить ответственность человека с нейропротезом и человека, случайно совершившего тот же проступок своими руками? Лежит ли ответственность за такие сбои на производителях? Или на ученых? Доверяя ребенка роботу, осознавали ли вы, что устройство может выйти из строя? Юридической системе будущего придется определять, находится ли нарушение в зоне ответственности производителя роботизированного изделия (в конструкции найден брак или программная ошибка) или пользователя (неправильное использование или внешнее неавторизованное воздействие на целостность конструкции).
Для минимизации таких потенциальных проблем авторы обсуждаемой работы предлагают, чтобы любая полуавтономная система оснащалась функцией автоматической блокировки, и в случае ненадлежащего или незапланированного использования эта функция активировалась в обход прямого канала взаимодействия «мозг—компьютер». Если искусственная конечность начнет выполнять действия, которые пользователь не подразумевал для выполнения, то такой «выключатель» сможет самостоятельно принять решение по мгновенной деактивации системы, предотвратив потенциальную беду.
Еще одним аспектом, беспокоящим исследователей, является безопасность частной жизни пользователя и необходимость в защите любой личной информации, которая будет записываться подобными системами. Весьма вероятно, что системы, базирующиеся на интерфейсе «мозг—компьютер», будут собирать самую различную информацию о неврологическом статусе пользователя, после чего она будет передаваться на компьютер. Естественно, что такая схема не может не вызывать некоторые опасения по поводу защиты конфиденциальных данных. По мнению исследователей, собираемая информация может быть украдена и использована ненадлежащим образом.
Еще сильнее исследователей беспокоит возможность цифрового взлома злоумышленниками подключенного к мозгу устройства, что может фактически поставить под угрозу жизнь пользователя этого устройства. С помощью так называемого «взлома мозга» могут производиться злонамеренные манипуляции с мозговыми имплантатами. Хакеры смогут получить контроль над движениями роботизированных конечностей человека.
Возможное решение этой проблемы будет включать повышенный уровень шифровки информации, создание надежной сетевой безопасности и открытого коммуникационного канала между производителем изделия и его пользователем. Настает время задуматься над путями, которые позволят всем выработать стандарты по разработке необходимых защитных мер.
В перспективе неинвазивные интерфейсы «мозг—компьютер» можно будет использовать для создания своего рода телекинетической связи с окружающим миром, в котором мы своими мыслями сможем управлять освещением в доме или хотя бы просто переключать телеканалы. Другими словами, дальнейший прогресс будет способен превратить эти технологии в технологический вид телепатии. Что же касается исследователей, то их ключевой посыл заключается в том, чтобы мы были готовы к этому и смогли предотвратить использование подобных технологий в злонамеренных целях.
Заключение
Нейропротезирование — глобальная тема для будущего. Технологии становятся реальностью благодаря усердному труду ученых. Возможно, в будущем ученые разработают когнитивные имплантаты, делая нас более умными и сильными. Станем ли мы киберобществом [10]?
Бионическое протезирование ног: современные возможности
Максим Гусев
Начиная со времен Древнего Египта и до сего дня исследователи пытаются создать протезы нижних конечностей, обладающие максимальной антропоморфностью, то есть максимально похожие на потерянную конечность как по своему внешнему виду, так и по заложенным в протезах функциям. Долгое время пациенты, перенесшие ампутацию ног, могли рассчитывать лишь на ограниченную функциональность механических модулей, заменяющих потерянные суставы конечности. Управление такими модулями полностью находится под контролем самого пациента, в связи с чем передвижение на механическом протезе вызывает некоторые трудности. Облегчить жизнь больным, которым в прежние времена не давалось никаких шансов на реализацию в социуме и улучшение самочувствия, позволяет современная медицина и наука, развивающая бионические технологии в протезировании.
Бионика (от др.-греч. βίον «живущее») — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах (например, в протезах) принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формах живого в природе и их промышленных аналогах. Бионические протезы позволяют существенно повысить качество реабилитации людей с инвалидностью. По своим функциям они максимально реализуют биомеханический принцип движения нижней конечности человека, обеспечивают беспрецедентную подкосоустойчивость при ходьбе и антропоморфность движений, дают пациенту возможность передвижения при любых окружающих его условиях.
В основе современного бионического протеза лежат микропроцессорные технологии. Центральная управляющая система бионического модуля, заменяющая утерянный сустав конечности, имеет рецепторную связь с окружающим пространством. Сенсоры с огромной частотой (до 1000 раз в секунду) собирают информацию о характере и наклоне опорной поверхности, нагрузке на протез, скорости передвижения, фазах цикла ходьбы.
Благодаря им центральный микропроцессор получает и обрабатывает всю необходимую информацию, в соответствии с которой работает искусственный модуль протеза. Интеллектуальное устройство протеза позволяет пользователю управлять модулем в режиме реального времени с помощью современных гаджетов и передвигаться в собственном удобном темпе и режиме. Необходимые функции работы можно индивидуально настраивать через личный смартфон с помощью встроенного беспроводного модуля по Bluetooth.
Приёмную гильзу для культи современного бионического протеза, как правило, изготавливают из высокопрочных легких материалов, таких как карбон или кевлар, благодаря чему изделия обладают высокой надежностью даже при спортивных нагрузках и длительном сроке службы. Электроснабжение всей электронной системы осуществляет компактная встроенная литиевая батарея, срока заряда которой хватает на период до одной недели.
Изучая длительную историю развития протезирования нижних конечностей, можно сказать, что бионическое направление находится в самом начале своего развития. Первый бионический модуль коленного сустава был разработан известным немецким концерном «Отто-Бокк» и представлен на всемирной конференции по ортопедии в г. Нюрнберге лишь в 1997 году. В 2006 году в результате многолетней совместной работы исландской компании Ossur и Массачусетского технологического института был разработан магнитнореологический модуль колена Rheо Knee, а чуть позже — первый интеллектуальный бионический модуль стопы Proprio Foot, который обеспечил возможность контролируемого антропоморфного передвижения по лестнице. Следующим важнейшим шагом в развитии бионического протезирования стало объединение электронного коленного модуля и электронной стопы в одну взаимосвязанную нейросистему. Данный протез был назван Symbionic Leg, он представляет одновременную связку коленного модуля Rheo Knee и стопы Proprio Foot. В 2015 году немецкий концерн «Отто-Бокк» выпустил первый водонепроницаемый бионический протез бедра — Genium X3. С этим протезом инвалид может погружаться в воду на глубину до трех метров в течение нескольких часов и заниматься любыми водными и другими видами спорта.
Надо понимать, что, какой бы ни был протез, самое важное — культеприемная гильза. Если человек не может надеть протез, если человеку неудобно или больно, он не будет носить протез даже с самыми современными модулями. Сейчас передовой технологией в изготовлении культеприемных гильз бедра является система Марло. Такие гильзы в России делают только в протезно-ортопедическом центре «Сколиолоджик.ру».
Итак, на сегодняшний день самыми передовыми разработками, доступными для российского рынка потребителей, являются следующие бионические системы.
Подписывайтесь на канал «Инвест-Форсайта» в «Яндекс.Дзене»