Бионические ноги
Нога — казалось бы, чуть менее сложное устройство, нежели рука. Тем не менее сымитировать её так, чтобы носитель бионического протеза почти 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 около 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:
https://youtube.com/watch?v=tj1Y5eEU-j4
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, так же 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.
https://youtube.com/watch?v=YOXxSwOCrSM
Кто этим занимается
По , объём мирового рынка протезирования и ортопедии оценивается в 6,11 млрд долларов. И США здесь — далеко не гегемон. Кроме американских компаний The Ohio Willow Wood Company и Ultraflex, хорошо себя показывают Blatchford и Steeper из Великобритании, шведская компания Fillauer, исландская Össur и немецкая фирма Ottoblock.
Российские компании не находятся в мировом топе, но делают успехи в части разработок — некоторые ноу-хау запатентованы в России. Так, компания «Моторика» сделала силиконовые напальчники тачскрин-френдли — хозяин протеза может пользоваться смартфоном даже с помощью искусственной руки. Ещё одно нововведение российских инженеров — встроенный в протез PayPass.
Протез «Страдивари» с функцией бесконтактной оплаты. Фото: «Моторика»
Протезы от «Моторики» — полноценные гаджеты из будущего. Можно, например, вставить в них SIM-карту — и наладить связь между пользователем и службой технической поддержки. SIM отправляет информацию по GSM на специальные серверы, сертифицированные для хранения медицинских данных. Реабилитологи отслеживают заряд аккумулятора и состояние механизма и дистанционно загружают обновления. Раньше о состоянии протеза можно было судить только по словам пациента.
«Цель компании – не только достичь функционала руки, но и расширить его», – говорит основатель «Моторики» Василий Хлебников.
«Моторика» делает всё, чтобы люди не стеснялись своего протеза, а, наоборот, гордились им и относились к нему как к арт-объекту
Для этого создана полноценная кастомная мастерская: художник делает визуальную обложку, работает с фактурой протеза и красит его — чтобы он выглядел эффектно и привлекал внимание людей. Один из клиентов — 11-летний мальчик Филипп — вдохновился фильмом «Мстители: Война бесконечности»
«Моторика» сделала для него вот такой протез:
Протез Мстителя — точная копия перчатки Таноса. Фото: «Моторика»
Компания работает даже на luxury-сегмент. Так, для одной заказчицы протез полностью покрыли стразами Swarovski — на это ушло шесть тысяч камней.
Важно, что не только бионические протезы могут быть функциональными и эстетичными. Максим Ляшко, сооснователь проекта по изготовлению бионических протезов MaxBionic, сейчас развивает новый проект — Fadvis
Это косметические и функциональные протезы, которые, по его словам, не уступают бионике.
Протез Fadvis с косметической кистью. Фото: Fadvis
Компания сделала функциональную насадку под разные нужды пользователя. Вместо косметической кисти, например, можно установить протез для отжиманий, подтягиваний или плавания. Есть отдельная насадка для работы с телефоном.
Благодаря этому обычный косметический протез не уступает бионическому и даже превосходит его. С насадкой «Зажим D», например, можно тягать штангу или поднимать тяжёлый вес в быту.
2020
Анонс бионической руки BrainRobotics Hand
В конце декабря 2020 года инженеры BrainRobotics создали протез нового поколения. Бионическая рука с возможностями ИИ не только дает инвалидам точный контроль над каждым пальцем, позволяя им выполнять многочисленные жесты и захваты, но и учится новым движениям в процессе эксплуатации. При этом бионическая рука BrainRobotics стоит 30% меньше, чем доступные на рынке высокофункциональные протезы. Подробнее здесь.
Cтарт производства протезов A.R.M. Project Titanium
11 ноября 2020 года «Ростех» анонсировал производство бионических протезов руки, которые втрое дешевле зарубежных аналогов. Модель получила название A.R.M. Project Titanium, она создана специалистами Light Electronics из Мультицентра социальной и трудовой интеграции Ленинградской области совместно с холдингом «Технодинамика» (входит в «Ростех»). Подробнее здесь.
Женщине частично вернули зрение, подключив камеру к мозгу
В середине февраля 2020 года нейротехнологи из Массачусетского технологического университета рассказали об успешных результатах многолетних исследований, которые должны помочь слепым людям вернуть зрение. Первой пациентке уже удалось частично вернуть зрение, подключив камеру к имплантату в зрительной коре.
Эта операция стала возможна благодаря Эдуардо Фернандесу (Eduardo Fernandez), директору отдела нейроинженерии в Университете Мигеля Эрнандеса в Эльче, Испания. Он хотел вернуть зрение как можно большему числу слепых людей. Подход Фернандеса особенно интересен, потому что он действует в обход глаза и оптических нервов. Создание искусственного глаза или сетчатки возможно, но в подавляющем большинстве случаев слепота связана с повреждениями нервной системы, а не самой сетчатки. Поэтому Фернандес решил пойти другим путем.
Нейротехнологи из Массачусетского технологического университета рассказали об успешных результатах многолетних исследований, которые должны помочь слепым людям вернуть зрение
Бернадета Гомес (Bernardeta Gómez) была абсолютно слепа в течение 16 лет, когда после токсической оптической невропатии лишилась ряда нейронов, обеспечивающих работу зрительного анализатора. Однако после проведенной в 2018 году операции она получила возможность вновь увидеть окружающий мир, хотя и с очень низким разрешением, в виде пылающих бело-желтых точек и форм. Зрение обеспечивает модифицированная пара затемненных очков, оснащенных крошечной камерой. Она подключена к компьютеру, который обрабатывает видео в реальном времени, превращая его в электронные сигналы, а подвешенный к потолку кабель соединяет систему с портом, встроенным в заднюю часть черепа Гомес, который подключен к 100-электродному имплантату в зрительной коре ее мозга.
Пока исследователи продолжают разработку устройства, но надеются, что их результаты скоро смогут стать основой терапевтического решения, доступного во всем мире.
Тренды и направления профессии
Киборгизация — это объединение технологий и органики, создание гибрида биологического существа и машины. По мнению Чеха, новое направление активно развивается и скоро станет одним из ключевых в медицине.
«Реабилитология — улучшение и восстановление способностей и качества жизни людей — становится междисциплинарной областью знаний, объединяющей в себе медицину, психологию, педагогику и физическую культуру. Вокруг нее формируется экосистема из инженеров и врачей, работающих с конкретным пациентом», — говорит Илья Чех.
Следующий шаг в развитии протезирования — создание вживляемых интерфейсов, которые будут считывать сигналы мозга нашему телу. Например, американские ученые разработали нейроинтерфейс, помогающий парализованным людям пользоваться планшетом. Он передает сигнал от вживленных в кору головного мозга электродов к планшету через Bluetooth. Люди с таким интерфейсом уже смогли сделать покупки, пообщаться в мессенджере и посчитать на калькуляторе.
Чтобы разрабатывать долгосрочные интерфейсы и выпускать их на рынок, текущих технологий и материалов пока не хватает. По словам Чеха, это серьезный технологический вызов, история недалекого будущего.
Индустрия 4.0
Перепрошить мозг: что такое нейроинтерфейсы и на что они способны
Искусственное сердце
Говоря о бионических протезах, нельзя обойти вниманием и искусственное сердце. Разработки в этом направлении ведутся более полувека, первые эксперименты относятся к концу 1949 года
Первая успешная попытка имплантации искусственного сердца состоялась в 1982 году: устройство Jarvik-7, разработанное Робертом Ярвиком, было вживлено двум пациентам, один из которых прожил потом 112 дней, а второй — 620 дней
Разработки в этом направлении ведутся более полувека, первые эксперименты относятся к концу 1949 года. Первая успешная попытка имплантации искусственного сердца состоялась в 1982 году: устройство Jarvik-7, разработанное Робертом Ярвиком, было вживлено двум пациентам, один из которых прожил потом 112 дней, а второй — 620 дней.
Последнее поколение «сердцезаменителей» — таких, как Phoenix-7, AbioCor, SynCardia — преимущественно предназначены для временной замены главного насоса в человеческом теле. Расчёт идёт на то, что пациент в итоге получит донорское сердце, которым удастся заменить искусственное устройство.
Управление по контролю за продуктами и лекарствами (США) пока одобрило только два искусственных сердца — SynCardia temporary Total Artificial (одобрено в 2004 году после 10 лет испытаний) и AbioCor Replacement Heart (одобрено в 2006 году).
К несчастью, первая попытка вживить AbioCor в июне 2009 года закончилась малоудачно. Пациент умер в конце августа того же года. Впоследствии разработчик AbioCor — компания AbioMed прекратила маркетинг своего искусственного сердца.
Так что SynCardia, судя по всему, сейчас лидирует в этой области.
Кардиохирурги, однако, сталкиваются с двумя неприятностями. Во-первых, часто случается, что организм начинает активно отторгать искусственный орган; во-вторых, у пациентов, перенесших операции по протезированию клапанных механизмов сердца, отмечается Кардиопротезный психопатологический синдром, заключающийся в фиксации внимания на работе имплантированного клапана, сопровождающейся характерными звуковыми явлениями.
Достаточно представить себе, что внутри у вас — шумящее инородное тело, и чувства таких пациентов станут понятны…
Чем занимается разработчик киберпротезов
Сначала такой специалист создает проект бионического протеза или органа. Он изучает биоэлектрические импульсы, связывающие нервную и мышечную системы человека, и придумывает, как их соединить с протезом. Например, чтобы на протезе руки двигались пальцы, в него встраивают специальные мио-датчики. Они считывают электрический потенциал сохранившихся мышечных тканей и посылают сигнал в протез — тут и происходит движение. Затем специалист создает 3D-модель для принтера. Он моделирует устройство по индивидуальным параметрам и готовит к покраске.
Дальше разработчик подбирает подходящие материалы: биологически совместимые, с симбиотическим потенциалом, которые не отвергнет организм
Важно максимально «сроднить» человека и его протез, чтобы конструкция из пластика и металла стала полноценной частью тела
Если человек будет плавно помахивать рукой, а потом резко захочет ее опустить, протез должен считать это желание так же быстро, как живая рука.
Индустрия 4.0
Когда мы сможем печатать новые органы на 3D-принтере
Слуховые аппараты
К бионическим протезам можно относить и так называемые кохлеарные имплантаты, представляющие собой медицинские устройства, состоящие из микрофона, звукового процессора и передатчика, которые устанавливаются снаружи, на волосах или коже больного, а также приёмника, имплантируемого подкожно, и цепочки электродов, введённых внутрь слуховой улитки посредством хирургической операции.
Функция кохлеарного имплантата заключается в стимуляции электрическими импульсами волокон слухового нерва в улитке.
Аппараты предназначены для людей с тяжёлой потерей слуха сенсоневральной этиологии.
Кохлеарные импланты — вещь далеко не новая. Методики стимуляции слухового нерва разрабатываются с 1950-х годов, к концу 1950-х относится первая попытка создания кохлеарного имплантата для использования в клинических условиях.
Первые попытки создания «бионического уха» — мультиэлектродного имплантата — относятся к 1978 году. Эксперименты проводились в Университете Мельбурна. На основе этой разработки получился коммерческий продукт, который к концу 2000-х частично вернул слух более чем сотне тысяч человек всех возрастов (вплоть до 6-месячных детей) по всему миру.
Устройства, впрочем, очень недёшевы: 45-125 тысяч за весь процесс лечения.
Установка искусственных конечностей в России
Где в нашей стране может быть поставлен бионический протез? Россия – страна, где подобные устройства не производятся. Однако тем, кто попал в беду и стал инвалидом, помогут в Реабилитационно-ортопедическом центре, который находится в Москве. В течение последних десяти лет специалисты данного учреждения занимаются вопросами протезирования нижних конечностей. В РОЦ изготавливаются современные модульные протезы с применением высокотехнологичных разработок немецкой компании Otto Bock и исландской фирмы Ossur. К таким искусственным конечностям относят современные биопротезы, которые оснащены микропроцессором.
Они способны обеспечить максимально естественную походку. Эти протезы используют такие модули:
1. Rheo Knee. Это коленный модуль самообучающегося типа. Он настолько «умный», что постоянно и непрерывно адаптируется к пациенту, а также к окружающей его среде. В этом модуле применяются самые передовые технологии в виде датчиков нагрузки, которые снимают измерения с частотой 1000 раз в течение секунды.
2. Proprio Foot. Это первая в мире стопа с искусственным интеллектом. Ее ставят пациентам, пережившим операцию по удалению голени. Модуль производит даже автоматическое сгибание щиколотки. Это означает, что по своей функциональности он близок к здоровой стопе.
3. Symbionic Leg. Это полностью бионическая нога. Для ее работы используется объединенное питание, а также управление от одного микропроцессора стопой и адаптивным суставом колена.
Весьма эффективным для инвалидов является бионический протез ноги. Цена на него в РОЦ вместе с установкой находится в пределах от 1 до 3 млн руб.
Конечно, бионические протезы малодоступны для обычных людей. Однако это легко объясняется их сложным устройством и большими функциональными возможностями. Например, бионический протез ноги, цена на который, конечно же, очень велика, позволяет не только нормально ходить, подниматься и спускаться по лестнице, но и заниматься спортом, не отказывая себе в ведении активной жизни.
Слуховые аппараты
К бионическим протезам можно относить и так называемые кохлеарные имплантаты, представляющие собой медицинские устройства, состоящие из микрофона, звукового процессора и передатчика, которые устанавливаются снаружи, на волосах или коже больного, а также приёмника, имплантируемого подкожно, и цепочки электродов, введённых внутрь слуховой улитки посредством хирургической операции.
Функция кохлеарного имплантата заключается в стимуляции электрическими импульсами волокон слухового нерва в улитке.
Аппараты предназначены для людей с тяжёлой потерей слуха сенсоневральной этиологии.
Кохлеарные импланты — вещь далеко не новая. Методики стимуляции слухового нерва разрабатываются с 1950-х годов, к концу 1950-х относится первая попытка создания кохлеарного имплантата для использования в клинических условиях.
Первые попытки создания «бионического уха» — мультиэлектродного имплантата — относятся к 1978 году. Эксперименты проводились в Университете Мельбурна. На основе этой разработки получился коммерческий продукт, который к концу 2000-х частично вернул слух более чем сотне тысяч человек всех возрастов (вплоть до 6-месячных детей) по всему миру.
Устройства, впрочем, очень недёшевы: 45-125 тысяч за весь процесс лечения.
Искусственное сердце
Говоря о бионических протезах, нельзя обойти вниманием и искусственное сердце. Разработки в этом направлении ведутся более полувека, первые эксперименты относятся к концу 1949 года
Первая успешная попытка имплантации искусственного сердца состоялась в 1982 году: устройство Jarvik-7, разработанное Робертом Ярвиком, было вживлено двум пациентам, один из которых прожил потом 112 дней, а второй — 620 дней
Разработки в этом направлении ведутся более полувека, первые эксперименты относятся к концу 1949 года. Первая успешная попытка имплантации искусственного сердца состоялась в 1982 году: устройство Jarvik-7, разработанное Робертом Ярвиком, было вживлено двум пациентам, один из которых прожил потом 112 дней, а второй — 620 дней.
Последнее поколение «сердцезаменителей» — таких, как Phoenix-7, AbioCor, SynCardia — преимущественно предназначены для временной замены главного насоса в человеческом теле. Расчёт идёт на то, что пациент в итоге получит донорское сердце, которым удастся заменить искусственное устройство.
Управление по контролю за продуктами и лекарствами (США) пока одобрило только два искусственных сердца — SynCardia temporary Total Artificial (одобрено в 2004 году после 10 лет испытаний) и AbioCor Replacement Heart (одобрено в 2006 году).
К несчастью, первая попытка вживить AbioCor в июне 2009 года закончилась малоудачно. Пациент умер в конце августа того же года. Впоследствии разработчик AbioCor — компания AbioMed прекратила маркетинг своего искусственного сердца.
Так что SynCardia, судя по всему, сейчас лидирует в этой области.
Кардиохирурги, однако, сталкиваются с двумя неприятностями. Во-первых, часто случается, что организм начинает активно отторгать искусственный орган; во-вторых, у пациентов, перенесших операции по протезированию клапанных механизмов сердца, отмечается Кардиопротезный психопатологический синдром, заключающийся в фиксации внимания на работе имплантированного клапана, сопровождающейся характерными звуковыми явлениями.
Достаточно представить себе, что внутри у вас — шумящее инородное тело, и чувства таких пациентов станут понятны…
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 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, а 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, расположенным на пальцах, в ладони, на запястье. Таким образом, человек в буквальном смысле чувствует, где располагается 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.
Сколько стоят бионические протезы (и почему так дорого)
По данным исследовательской компании Grand View Research, объём мирового рынка роботизированных протезов в 2016 году составлял $790,8 млн. Прогноз на 2025-й — до $1,75 млрд. Рынок растет вслед за развитием технологий, а также — количеством ампутаций и их спонсированием за счет НКО.
По данным американской аналитической компании Frost & Sullivan, средняя цена современных усовершенствованных протезов варьируется от $5 тыс. до $50 тыс.
Протез Bebionic стоит более $10 тыс., i-limb — от $60 тыс. до $120 тыс., бионический глаз Argus II — около $150 тыс.
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.
Возможно, ситуацию сможет исправить 3D-печать: с ее помощью создают недорогие протезы, с учетом всех индивидуальных особенностей, и украшать на свой вкус. Кроме того, они еще и очень легкие. Такой протез стоит до $10 тыс.
