Руки человека, ноги, глаза, другие органы — это уникальные «инструменты», пережившие сотни тысяч лет эволюционных изменений. Так 29 крупных суставов, 123 связки и 34 мышцы, дополненные моментальной обратной связью с мозгом, позволяют руке выполнять очень тонкую работу, делают ее незаменимой… или нет? Популярная культура на протяжении многих лет рисует перед нами картины, на которых удивительные технические устройства — протезы — полностью заменяют конечности и органы человека и даже превосходят их. Но насколько такие картины близки к реальности?
От дерева и веревок — к проводам и сервоприводам
Искусственные конечности и органы входят в широкое понятие «ассистивные технологии». Они призваны поддерживать на прежнем уровне или повышать возможности человека, который имеет стойкие нарушения функций и структур организма, препятствующие физической активности и вовлечению в социальную жизнь. И таким технологиям в той или иной форме уже больше 4 тысяч лет.
Первые из найденных учеными протезов зубов и пальцев ног датируются 2500 и 1500 годами до нашей эры. Они изготавливались из дерева, костей животных, различных металлов и крепились к человеческому телу веревками и ремнями из кожи и жил. А вот самый древний протез глаза, изготовленный, предположительно, из битумной пасты и покрытый золотом, еще старше — около 2900–2800 года до нашей эры. Он крепился в глазнице с помощью золотой проволоки.
Железная рука швабского рыцаря
С развитием механики протезы становились все более сложными и функциональными. Одно из самых известных таких изделий — железная рука швабского рыцаря Готфрида фон Берлихингена, изготовленная в начале XVI века.
Первая рука, которую для Готфрида выковал кузнец, была простым протезом с крюками вместо пальцев. Она позволяла владельцу удерживать в руках некоторые предметы. Однако Готфрид хотел большего и заказал у оружейников один из самых современных по тем временам протез — железную руку, пальцы которой могли двигаться независимо друг от друга, сгибаться в суставах, а саму кисть можно было повернуть вверх или вниз ладонью. Для этого нужно было здоровой рукой нажимать на расположенные на корпусе устройства кнопки и рычаги. По некоторым данным, Готфрид с помощью железной руки мог орудовать ударным оружием и даже написать мемуары.
Однако такие сложные устройства были доступны только состоятельным людям. Те, кому средств на «чудо техники» не хватало, довольствовались простейшими протезами в виде палок (для ног) и крюков (для рук).
Жутковатый пример протеза — рука Крукенберга. Немецкий врач Герман Крукенберг сразу после Первой мировой войны разработал «клешню», которая делалась из концов лучевой и локтевой костей у раненых с травматической ампутацией кисти. В науке эта операция получила название кинематизация руки. Такой «клешней» можно писать, шить, одеваться и раздеваться. Кроме того, такая культя обладает чувствительностью и управляется интуитивно, чего пока не умеют самые современные протезы.
Новые технологии, компоненты и материалы, безусловно, изменили протезирование. На службу этой отрасли встали нанотехнологии и тканевая инженерия. Так ученые Университета Колорадо разработали искусственную кожу из полиэтиленимина, в который встроены сенсоры, оценивающие влажность, температуру, давление. Фактически эта разработка способна чувствовать.
«Скелеты» также активно развиваются. Например, разработка Гарвардского и Йельского университетов, в которой напечатанные на 3D-принтере материалы сочетаются с эластомерными структурами, заменяющими связки и сухожилия. Изготовленной по этой технологии руке потребуется меньше сервоприводов для осуществления большего количества манипуляций.
Модульный протез руки Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса способен выполнять почти все движения человеческой руки и кисти благодаря более чем 100 датчикам в руке и предплечье. Он включает в себя плечо и запястье с 3 степенями свободы, локоть, который может сгибаться и разгибаться. Однако вес такой руки составляет 4,8 кг. Для сравнения: средний вес руки человека массой 80 кг в несколько раз меньше.
Группа ученых из Политехнического института Ворчестера разработала высокоточный протез, который максимально близко имитирует внешний вид человеческой руки. Он создан из напечатанных на 3D-принтере костей, сухожилий и связок, изготовленных с помощью лазерной резки.
Протез имеет 18 механических степеней свободы, весит 2,2 кг и получает информацию с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) и электромиографии (ЭМГ), считываемых датчиками Neurosky и Myoware соответственно. ЭЭГ используется для щипка, зацепа или нажатия, а ЭМГ контролирует более тонкие характеристики, например силу хвата. При этом показатели эффективности приведения руки в действие с помощью ЭМГ составили 80%, ЭЭГ — 68%.
Еще в 2007 году шотландская Touch Bionics показывала протез I-Limb, который позволяет пользователю сбалансировать мощность и точность своей работы. Протез способен останавливаться при достижении достаточного сцепления, а значит им можно брать хрупкие предметы. Управляется разработка с помощью ЭМГ.
Одним из самых популярных протезов руки сегодня является Michelangelo от Ottobock. Он может создавать семь конфигураций захвата и оппозицию большого пальца, чтобы выполнить силовой захват и щипки большим, указательным и средним пальцами.
Последней громкой новостью из мира искусственных рук стала разработка команды австралийского Bionics Institute. Ученые создали трансрадиальный нейромышечно-скелетный протез — бионическую руку, напрямую связанную с нервной и скелетной системами ампутанта.
Протез был установлен на титановые импланты, соединенные с лучевой и локтевой костями, а отрезанные нервы через мышечные импланты были соединены с электродами. Электроды также присоединили к мышцам и локтевому нерву.
Прямое присоединение протеза к костям избавляет ампутанта от дискомфорта при использовании культеприемника, а соединение мышц и нервов с электродами снизило уровень помех и повысило скорость отклика протеза. Пациент использовал протез на протяжении трех лет и с каждым годом качественные показатели его использования, такие как эффективность управления, увеличивались. Главным же достижением ученые считают тот факт, что их протез можно использовать практически постоянно, так как отсутствует компрессия культи.
Ноги-пружины
О современных протезах рук известно гораздо больше, чем о протезах ног. Возможно, это связано с тем, что руки выполняют значительно больше разнообразных функций, чем ноги. Но последние, несмотря на кажущееся «безделье» даруют человеку одну из главных свобод — свободу передвижения. Прикованные к инвалидным коляскам люди зачастую лишены этой свободы практически полностью. Особенно в России, где так называемая безбарьерная среда развивается только в крупных центрах. Инвалиды же, живущие в старых пятиэтажках — даже в прилегающих к Москве Люберцах — если и слышали о ней, то вряд ли видели воочию.
Цель создания, разработки и совершенствования протезов нижних конечностей — вернуть таким людям свободу передвижения. Сегодня такие протезы работают в основном за счет пневматических систем. Современные технологии позволяют расширить возможности механических ног в процессе локомоции, то есть позиционирования и удержания тела, перемещения в разных средах.
Так, например, ученые из Университета Мичигана предложили протез голеностопного сустава, который может быстро адаптироваться к жесткости лодыжки в процессе движения. Однако это стало возможно благодаря ни каким-то космическим технологиям, а использованию рессоры из стекловолокна, жесткость которой меняет небольшой двигатель.
Используются в ножных протезах и микропроцессоры. Например, в C-Leg от Ottobock, Plie 3 от Freedom Innovations и Orion от Blatchford/Endolite. В этих изделиях процессоры, по сути, делают то же, что и двигатель в примере выше — адаптируют механические свойства гидравлических систем через сервоприводы. Например, C-Leg изменяет жесткость сустава и демпфирование путем открытия гидравлического клапана.
Пожалуй, одним из самых современных протезов коленного сустава является Power Knee исландской компании Össur. Этот протез сам помогает пользователю восполнить недостаток мышечной силы, придает ходьбе большую естественность, помогает вставать, подниматься и спускаться по лестницам и наклонным поверхностям.
Электрохимический глаз и ухо из принтера
А вот где технологии по-настоящему космические, так это в протезировании органов. Сильный толчок развитию этой сферы дало появление технологий 3D-печати. Сегодня наиболее перспективным является направление биопечати органов. Благодаря ему появляются уникальные гибриды «запчастей» человека и машины.
Например, разработка ученых и университетов Принстона и Джонса Хопкинса, которые использовали аддитивное производство биологических клеток, то есть их изготовление по электронной модели, создали ухо, которое обладает способностью слышать благодаря индукционной антенне и электроду в форме улитки. Для этого ученые «вплели» в распечатку проводящий полимер, состоящий из наночастиц серебра, который позволил вырастить вокруг антенны хрящевую ткань, позволяющую ей считывать сигналы с электрода.
Ухо может улавливать радиочастоты, а пара таких ушей, по словам создателей, сможет слушать музыку в стереоформате. Но ключевое достижение ученых — демонстрация возможностей объединения живой ткани с электроникой посредством 3D-печати, что впоследствии может быть использовано для создания и других органов.
EC-Eye — детище любителя научной фантастики и профессора Гонконгского университета науки и технологий Фань Чжиюня. Это аппарат, который максимально имитирует человеческий глаз. Он представляет собой полусферу, состоящую из массива нанопроволок высокой плотности, которые имитируют человеческие фоторецепторы. «Глаз» заполнен ионизированной жидкостью, заменяющей стекловидное тело живого органа. Гибкие нанокабели, заключенные в резину, действуют как зрительный нерв.
Прототип на стадии тестов превзошел человеческий глаз по многим параметрам. Последнему требуется от 40 до 150 миллисекунд, чтобы среагировать на изменение освещения, а EC-Eye — всего 30–40. При этом «глаз» содержит 460 миллионов нанопроволок-фоторецепторов. В человеческом глазу их живых аналогов всего 10 миллионов. Это значит, что устройство принимает больше световых сигналов и теоретически может создавать изображения более высокого разрешения.
Согласно мнению ряда исследователей, используемые в EC-Eye нанопроволоки и нанокабели могут соединяться с человеческими нервами, а значит в перспективе разработка может быть имплантирована пациентам.
За порогом лаборатории
Удивительные «апгрейды» для человеческого тела, описанные выше, — по большей части именно разработки. Они прекрасны на демонстрационных стендах, привлекают внимание в промороликах и массивных текстах исследований. Но это как раз те самые «железные руки Готфрида», которые до обычных пациентов дотянуться еще не скоро. Что же доступно людям с ампутациями сегодня? Тягловые и миоэлектрические протезы.
Именно это самые распространенные способы управления протезами. Тягловый — открытый еще в XIX веке — основан на натяжении тросов. А миоэлектрический — по этому принципу, кстати, управляются все высокотехнологичные протезы, о которых написано выше, — основан на считывании сокращений мышц культи с помощью электродов (то самое ЭМГ). Кстати, первый такой протез появился еще в СССР в 1956 году. С тех пор принцип практически не изменился.
Модное в последнее время слово «бионика», по сути, объединяет оба эти принципа, так как они обеспечивают имитацию протезом движений живой конечности. Современные тягловые протезы, например CYBI от российской компании «Моторика», работают без всякой электроники, а значит не боятся влаги, долговечны, изготавливаются из композитных материалов, обеспечивающих им малый вес. По сути, такие протезы — это механические протезы прошлого, но в современном дизайне.
Другое дело — протезы миоэлектрические. Именно их в массовой культуре зачастую называют бионическими. Их представляют как будущее, наступившее уже сейчас. Такие протезы в России изготавливают «Моторика», «Технобионика», MaxBionic.
К сожалению, реальность такова, что такие протезы пока сильно уступают тягловым. Дело в том, что технологии, используемые в миоэлектрических протезах сегодня недостаточно развиты. Устройства могут в зависимости от того, как напрягаются мышцы культи, показывать довольно широкий спектр жестов, щипать, хватать и указывать, но для управления всем этим арсеналом нужны длительные тренировки.
Кроме того, наружные электроды, которые считывают сокращения, подвержены шумам, а значит протез не всегда срабатывает так, как этого хочет пользователь. Некоторые пользователи в открытых источниках делятся и такой проблемой, как, например, невозможность последовательно взять протезом несколько предметов разного размера.
Еще одна большая проблема современных протезов — отсутствие обратной связи. Проще говоря, они не чувствуют, а значит не чувствует и человек. Кроме того, миоэлектрические протезы, в отличие от тягловых, очень дорогие. Они могут стоить несколько миллионов рублей.
Правда, в России существует государственная программа, по которой нуждающиеся в протезировании люди могут получить их практически бесплатно, преодолев ряд бюрократических барьеров. Ссылка на эту программу есть на сайтах почти всех производителей.
Однако в перспективе стоимость протезов не снизится, потому что спрос на них, на самом деле, не высок. Даже в России, где в протезах нуждаются около 200 тысяч человек с ампутационными дефектами нижних и верхних конечностей. Это большая цифра, которая в связи с проведением специальной военной операции, судя по всему, только вырастет.
По данным за октябрь 2023 года более 50% участников СВО, которые проходят медико-социальную экспертизу, имеют ампутации. Причем 80% из них — ампутации нижних конечностей. А протезов для нижних конечностей, которые были бы полностью произведены в России, сейчас, к сожалению, не существует. Даже такие компании, как Endolite и Medi, поставляют в РФ изделия западного производства.
От сервоприводов и проводов — к веревкам и дереву
Проблемы стоимости, несовершенного управления и, отчасти, возможно, завышенных ожиданий тормозят развитие бионического протезирования в том виде, в каком оно предстает перед нами в компьютерных играх, фильмах и книгах.
Самыми удобными и практичными остаются простые «клешни» — односхватные протезы рук, и углеродные пружины — протезы ног, которые накапливают энергию во время контакта с землей и высвобождают ее во время отталкивания. Эти наиболее простые устройства легки в управлении, надежны и эффективны.
Развитие новых технологий рано или поздно принесет свои плоды. И возможно, когда-нибудь протезы действительно не только станут блеклой копией настоящего органа или конечности, но и превзойдут «мясо» по всем параметрам.
В завершение хочется поделится историей одной разработки, которой давно занимается Южный медицинский университет по заданию Агентства передовых оборонных исследовательских проектов США. О ней автору этой статьи рассказал студент МГУ на выставке «Армия–2023». Речь идет о создании связи между электрической начинкой протеза и человеческими нервами с помощью оптоволокна.
Для проекта был разработан микродатчик, представляющий собой мягкую желеобразную сферу в несколько сотен микрон в диаметре и тонкий волосок оптоволокна. Он совместим с тканями организма, а оптоволокно способно передавать за один раз практически неограниченное количество информации и стимулировать нейроны.
Главное отличие основанного на такой технологии протеза будет заключаться в том, что он очень быстро обрабатывает информацию. Из-за этого он успевает не только передать информацию от мозга к протезу, но и вернуть ее обратно, сформировав таким образом настоящее ощущение того, что человек «рукой» соприкоснулся с поверхностью.
В будущем такие протезы смогут стать практически идентичными настоящей руке. А потом и превзойти ее. И эволюция человеческой мысли подарит людям новые уникальные инструменты — новые органы, глаза, ноги и руки.
