В последние десятилетия наука сделала семимильные шаги навстречу технологическому будущему. Это заметно не только по скоростным поездам Hyperloop, электрическим автомобилям или голосовым помощникам, современные бионические протезы конечностей, позволяющие практически полностью восстанавливать функционал утраченной руки или ноги – реальность. О разновидностях, функциональных возможностях и перспективах бионических протезов будем говорить дальше в материале.
Что такое бионический протез?
Первые протезы появились задолго до развития бионики и технологического бума. Еще в записях древнегреческого историка Геродота, есть упоминания о том, как во время греко-персидской войны (499−449 гг. до н.э.), один из заключенных тюрьмы изготовил себе деревянный аналог ампутированной ноги.
Без сомнения подобные изделия могли облегчить процесс передвижения человека, однако рассчитывать на комфорт или функциональность не приходилось. Причем, с подобными недостатками приходилось мириться на протяжении еще многих столетий, пока синтез бионики и кибернетики не позволил создавать бионические протезы.
Бионика — наука, сочетающая в себе биологию и технику.
Различают три вида:
- биологическая (процессы и функции в структурах живой природы),
- теоретическая (построение математических моделей биосистем),
- технологическая (использование моделей для решения инженерных задач, и протезирование в их числе.).
Понятие бионического (или биоэлектрического, миоэлектрического) протеза на протяжении нескольких поколений менялся: если в середине и конце XX века «бионическими» называли устройства, которые внешне были идентичны отсутствующей конечности или части, т.е выполняли больше эстетическую функцию, то современные – те, которые находятся под управлением биотоков и электроники (используются энцефалограмма, миография) и могут качественно выполнять функции конечности.
Бионический протез – функциональные индивидуализированные изделия, изготавливаемые небольшими партиями. Хотя устройство изготавливается из искусственных материалов (полиамид, титановые сплавы), человек может управлять им при помощи собственных мыслей и нервной системы.
Существуют такие виды бионических протезов конечностей:
- односхватовые (оснащены одним мотором, для выполнения односложного движения (размыкания/замыкания));
- многосхватовый (имеется несколько двигателей, например, на каждый палец руки, чтобы иметь возможность не только двигать рукой, но и делать жестикуляции, схваты и прочее).
Как работает бионический протез
В основе использования лежит метод целевой мышечной реиннервации (метод TMR -Targeted Muscle Reinnervation). Даже если отсутствует конечность, мозг этого не учитывает и продолжает посылать сигналы на выполнение действий.
Двигательные нервы, которые должны участвовать в управлении конечностью, если та была ампутирована, утрачена или даже отсутствовала при рождении, соединяют с имеющимися крупными мышцами (грудными, если речь идет о протезах рук), и дополняют электродами.
На практике это выглядит так: человек хочет взять чашку, мозг посылает импульс к грудной мышце, такой сигнал перехватывают/считывают мио-датчики, отправляют его в процессор биоэлектрической руки, и протез выполняет нужную функцию или движение.
В связи с тем, что датчики и электроды взаимодействуют, не с одной конкретной мышцей, а со всеми, поэтому для того, чтобы успешно использовать протез, необходимы тренировки. Сталкиваясь с подобными трудностями, некоторые люди отказываются от использования устройств. Для решения этой проблемы, устанавливаются более совершенные датчики, позволяющие управлять протезом практически интуитивно и мгновенно. Это большой шаг в развитии направления, однако, пока это скорее напоминает современный гаджет, требующий ежедневной подзарядки, а не полноценную часть тела.
Трансформация возможностей: из ограниченных в дополнительные
На сегодняшний день, ученые стараются не только упростить выполнение каких-то действий, но даже позволить человеку чувствовать протезом тепло, давление — тактильные ощущения. И метод целевой сенсорной реиннервации позволяет достичь этих целей.
Хирурги пришивают чувствительный нерв к участку кожи (на груди, если протез руки, на бедро или колено, если протез ног), который будет улавливать информацию, посылаемую сенсорами протеза, и переадресовывать ее в мозг. Сенсоры уловили слишком высокую температуру – руку/ногу одернуть и так далее. Это поистине невероятно.
Изменился и дизайн протезов, если в 1960-х годах, когда зарождались бионические протезы, их старались сделать «незаметными», чтобы создать устройство максимально похожее на естественную конечность, то сегодня, через дизайн искусственной руки или ноги продолжают линию собственного стиля и самовыражения. Это говорит о развития и общества, и тех, кто столкнулся с этой проблемой: больше нет необходимости и желания имитировать принадлежность к «обычным» людям.
Преимуществ у современных бионических устройств – бесконечно много, но один существенный недостаток не позволяет всем желающим в полной мере воспользоваться уникальными достижениями современной науки, это их стоимость.
Верхние конечности:
- BeBionic 3 (компания RSLSteeper): кисти — около $30 тысяч; + локтевой сустав — около $35 тысяч;
- i-Limb Quantum (Touch Bionics) — около $50 тысяч;
- MyoFacil (Ottobock) — $8 тысяч.
Нижние конечности:
- C-Leg (Ottobock) — около $20-25 тысяч;
- Коленный сустав (Ossur) — от $25 тысяч.
Отсутствие возможности серийного производства — одна из причин дороговизны устройств. Второй критерий, формирующий цену, – высокая стоимость материалов и оборудования, используемых в производстве, а третий – низкий спрос. Большинство утративших конечность людей на протяжении многих лет использовали либо косметические и механические протезы, либо попросту научились обходиться без нее, поэтому перестроиться на бионику бывает достаточно сложно.
Ученые убеждены, что в процессе того, как технологии будут становиться более доступными, цена на бионические протезы будет снижаться, будет возрастать и спрос. Тенденция уже видна, например, в 2013 году протез ладони стоил около $100 000. К тому же дополнительные возможности открыла 3D-печать, так «напечатанное» колено (ConforMIS) в 2017 году стоило около $4 000.
Человек – удивительное существо, которое способно в кратчайшие сроки подстраиваться под изменения, даже такие как отсутствие конечностей, и продолжать полноценно жить. Это серьезное испытание, но благодаря развитию технологий, люди могут значительно облегчить его прохождение.
