Протезы – механика и бионика, далее кибер, нейро и так далее
На сегодняшний день два основных вида протезов – это механические и бионические, где-то в лабораториях и институтах рождается класс кибернетических протезов, но и массовом применении этого типа говорить рано, а потому мы и не будем.
Прежде же чем оценивать и сравнивать типы протезов посмотрим на саму историю протезов как таковых.
Потеря каких-либо конечностей была распространенной проблемой на протяжении тысяч лет, учитывая, что человечество практически неустанно участвовало в войнах. Именно поэтому методы протезирования появились за несколько тысяч лет до нашей эры.
Первопроходцами в этом деле стали египтяне. В Древнем Египте ученые обнаружили одни из самых старых протезов. Конструкция состояла из двух анатомических деревянных пластин, которые соединялись между собой нитью. Как правило, позволить такую искусную работу могли лишь зажиточные египтяне.
Немалых успехов добились римляне, чьи войска неоднократно участвовали в сотнях сражений. Археологи смогли найти протезы ног, выполненные из бронзы. Такие конструкции позволяли практически полноценно передвигаться человеку, но насколько удобны — остается вопросом.
Задокументированной является история Марка Сергия: полководец участвовал в сражениях с искусственной железной рукой, которой мог держать щит.
Ближе к Средним векам появились более сложные конструкции. Инженеры и оружейники старались повторить строение конечностей и сделать протезы максимально функциональными. Один из самых ярких примеров — механическая рука Геца фон Берлихингена. Конструкция включала множество деталей, в том числе кнопки и рычажки. В протезе могли сгибаться пальцы по отдельности, а кисть выворачивалась вверх и вниз. Гец фон Берлихинген с таким протезом мог даже орудовать шестопером.
Активное развитие протезирование получило в 19 веке. Одной из ключевых фигур стал Джеймс Джиллингем. Он занимался изготовлением обуви, но после создания пары удачных протезов полностью сменил направление деятельности. Джиллингем мастерил невероятно эстетичные протезы, в том числе и нижних конечностей. Что самое интересное — на создание одной модели уходило в среднем не больше 10 дней. В сумме изобретатель создал больше 15 тысяч протезов.
После двух мировых войн и открытия новых материалов протезирование вышло на новый уровень. Сейчас в продаже можно встретить как достаточно простые конструкции, так и умные протезы.
Разновидности современных протезов
Использование передовых достижений науки позволяет делать максимально легкие, реалистичные и даже полнофункциональные протезы конечностей. Вместо дерева и металла теперь активно применяют пластик и даже карбон. Стоимость протеза зависит непосредственно от функционала.
Косметические протезы. Это самые примитивные конструкции, которые используются исключительно для скрытия отсутствия конечности и не выполняют функциональных действий.
Например, косметическим протезом руки можно удерживать ложку, но нельзя сделать какие-то более сложные движения. Косметическая нога подойдет для неторопливой ходьбы, однако из-за монолитной конструкции бегать не получится. Обычно косметические модели используются в качестве временных. Протезы ног этого типа на постоянной основе также ставят людям с низким уровнем активности, например, если они работают на дому и редко куда-либо выезжают.
Главное преимущество косметических протезов – высокий уровень имитации кожи. Производители предлагают конечности рук с прорисованными венами, фалангами пальцев и даже ногтями, которые можно красить.
Помимо культеприемника, в конструкции имеется каркас из пенопласта и косметическая оболочка из силикона или других мягких полимеров.
Стоимость изделий зависит от того, какую часть тела предполагается заменить. В среднем качественный протез всего плеча обходится от 200 до 450 тысяч рублей. При этом косметическую оболочку периодически придется обновлять, это в среднем 6-10 тысяч за раз.
Механические протезы. Это многофункциональные конструкции, которые состоят из набора модулей, имитирующих суставы. Сборка протеза, как правило, выполняется индивидуально — протезист учитывает физиологические особенности пациента и степень его активности. На основе этого подбирается оптимальная конструкция с необходимым числом подвижных элементов.
Механически (тяговый) протез руки функционирует за счет сгиба в кистевом или локтевом суставе. Это движение натягивает встроенные тросы, которые в свою очередь приводят к сгибанию пальцев на искусственной кисти. Косметическая оболочка – не обязательный атрибут, чаще всего такие протезы имеют кастомный дизайн в разных цветах, с узорами и не только.
Механические модели позволяют делать относительно сложные работы. Например, брать и удерживать в искусственную кисть мелкие вещи, кататься на велосипеде или самокате. За счет отсутствия электроники протезы достаточно легкие, а также абсолютно не боятся промокания.
Изготавливается все это из нержавеющей стали, алюминия и полиамида. Протез предплечья весит до 500 грамм, но при этом позволяет поднимать грузы весом до 10 килограммов.
Стоимость может быть, как соизмерима с косметическими протезами, так и намного больше, здесь все зависит от качества и функционала протеза. Механика еще нуждается в обслуживании в среднем каждые полгода.
В последнее время дорогостоящим протезам от крупных компаний появилась более доступная альтернатива. Все больше людей стали активно пользоваться 3D-печатью. Например, инженер из Хорватии напечатал на 3D-принтере полноценный протез руки, а стоимость создания он оценил всего в 30 долларов! Всю конструкцию можно напечатать за день и плюс еще сутки на сборку.
И такие случаи не единичные – 3D-печать позволяет быстро и максимально дешево изготавливать несложные тяговые конструкции с точностью до миллиметров.
Механические протезы ног – это модульные конструкции, которые могут работать с применением пневматики или даже гидравлики. Используются три основных модуля: культеприемник (гильза, силиконовый чехол или вакуумная), коленный модуль и стопа. Модели нередко предусматривают регулировку щиколотки, переключение механизма под разный тип ходьбы, торсионные устройства для амортизации, стабилизации. Начинка подбирается в зависимости от активности человека — с функциональным протезом можно не только комфортно бегать, но и плавать.
В зависимости от конструкции стоимость механических модульных протезов ноги доходит до 2,5 миллионов рублей.
Бионические умные протезы. Самые дорогостоящие и продвинутые модели. Ключевая особенность – применение электроники и микропроцессоров. Работа биоэлектрических протезов основана на считывании электрического потенциала остаточных мышц.
Когда вы пытаетесь подвигать рукой, мозг посылает по нервам электрические импульсы – они успешно доходят до определенных мышц, те сокращаются и выполняется движение. Однако, если кисть потеряна, то эти импульсы не доходят до конечной точки и просто затухают. Биоэлектрические модели оснащаются специальными датчиками, которые считывают сигнал сокращения остаточных мышц, усиливают его и дают команду сервоприводам протеза на движение.
Однако следует понимать, что такие протезы не считывают мыслительную деятельность, а всего лишь регистрируют токи в мышцах. Проще говоря, большинство моделей с парой групп датчиков не позволяет мысленно управлять каждым отдельным пальцем или менять положение кисти.
Ключевое преимущество – это различные наборы хватов. Например, у модели Bebeonic это 14 вариантов – для столовых приборов, для взятия предметов, для нажатия кнопок и так далее. По сравнению с механическими протезами открывается куда больше сценариев использования.
Напрягая остаточные мышцы, пользователи контролируют лишь два движения – сжимание и разжимание механических пальцев. Однако менять режимы придется вручную – с помощью кнопки на руке или через мобильное приложение. В последнем обычно можно программировать и положение пальцев для отдельных режимов хвата.
Переходить между хватами можно и без каких-либо кнопок и приложений. Некоторые модели позволяют это делать всего с парой датчиков, но от пользователей потребуется определенная сноровка.
Самые современные бионические протезы имеют набор датчиков для каждого отдельного пальца. Программирование намного сложнее, поскольку нужно определить остаточные мышцы, которые отвечают за движение каждым отдельным пальцем. Ведется разработка и альтернативных методов. Например, инженеры из Технологического института Джорджии научились проводить ультразвуковое считывание напряженности мышц. Благодаря этому музыкант Джейсон Барнс, который потерял кисть руки, смог сыграть мелодию на фортепиано.
Использование электроники помимо всех преимуществ имеет и ряд минусов. Во-первых, цена. Стоимость биоэлектрических моделей доходит до 10 миллионов рублей. Во-вторых, большинство протезов боятся воды — защиту по стандарту IP67 и IP68 имеют только самые продвинутые и дорогие. В-третьих, взаимодействие с такими протезами куда сложнее, обучение может занять месяцы.
Другая проблема – ограниченный запас энергии. Емкости АКБ хватает на 16 и более часов непрерывных циклов сжатия и разжатия, после чего протез нужно подзаряжать. Обычно используются гибкие аккумуляторы, которые легко укладываются во внутреннем пространстве протеза.
Протезы ног конструктивно немного проще. Внутренние микропроцессоры контролируют наклон стопы и с помощью сервоприводов дают дополнительный импульс в момент отталкивания. Это делает движение стопы максимально естественным, что позволяет легко взбираться по лестнице или даже бегать.
Что нас ждет в будущем
Пока даже самые современные протезы – это всего лишь надстройка, которая не имеет никакой связи с нервной системой человека. Система лишь считывает движение остаточных мышц, что существенно ограничивает функционал и предлагает лишь простейшие движения. К тому же остается вопрос с автономностью и необходимостью обслуживания.
Следующий этап – это нейропротезирование, создание системы «мозг-протез». Тогда импульсы будут считываться не с мышц, а непосредственно с нервных окончаний, и появится возможность реализовать даже тактильные ощущения. Все упирается в создание нейроинтерфейса – разработки в этой сфере как раз ведет Илон Маск со своей компанией Neuralink.
Напомним, инженеры Neuralink вживили чип N1 Link обезьянам. Примат смог сыграть силой мысли в пинг-понг, а также управлять курсором и пользоваться виртуальной клавиатурой. В планах на 2023 год — проверить технологию на людях с тяжелыми травмами спинного мозга.
Простейшие интерфейсы уже существуют, они считывают электронные сигналы мозга и преобразуют их в движения. Ключевое преимущество — управлять механической рукой можно даже в том случае, если человек полностью парализован.
Научно-исследовательская корпорация США DARPA в 2012 году испытала свой интерфейс на полностью парализованной женщине. Ян Шойерман согласилась на внедрение электродов в свой мозг, благодаря чему получила возможность управления роботизированной рукой.
Исследователи из Университета Джона Хопкинса в 2022 году представили схожую систему – две роботизированные руки помогли частично парализованному пациенту с комфортом позавтракать с использованием столовых приборов и силы мысли.
Однако все это пока единичные прототипы. Нейроинтерфейс требует тщательной «подгонки» под каждого конкретного человека и длительной отладки, что не позволяет технологии получить массового распространения.
По материалам club.dns-shop.ru / MrUSmith