Коли настане кіберпанк: все про механічні та біонічні протези

Кіберпанк — це не тільки віртуальна реальність, вбудовані імпланти та повсюдна цифровізація. Один з аспектів такого майбутнього — кібернетичні протези. Як справи в цій галузі зараз і яких успіхів досягли вчені — у нашому матеріалі.

Історія протезування кінцівок

Втрата будь-яких кінцівок була поширеною проблемою протягом тисяч років з огляду на те, що людство практично невпинно брало участь у війнах. Саме тому методи протезування з’явилися за кілька тисяч років до нашої ери.

Першопрохідцями у цій справі стали єгиптяни. У Стародавньому Єгипті вчені виявили одні з найстаріших протезів. Конструкція складалася із двох анатомічних дерев’яних пластин, які з’єднувалися між собою ниткою. Як правило, дозволити таку майстерну роботу могли лише заможні єгиптяни.

Чималих успіхів досягли римляни, чиї війська неодноразово брали участь у сотнях битв. Археологи змогли знайти протези ніг, виготовлені з бронзи. Такі конструкції дозволяли практично повноцінно пересуватися людині, але, наскільки вони були зручні, залишається питанням.

Задокументованою є історія Марка Сергія: полководець брав участь у битвах зі штучною залізною рукою, якою міг тримати щит.

Ближче до Середніх віків з’явилися складніші конструкції. Інженери та зброярі намагалися повторити будову кінцівок та зробити протези максимально функціональними. Один із найяскравіших прикладів — механічна рука Геца фон Берліхінгена. Конструкція включала безліч деталей, у тому числі кнопки та важелі. У протезі могли згинатися пальці окремо, а кисть виверталася вгору і вниз. Гец фон Берліхінген з таким протезом міг навіть орудувати шестопером.

Активний розвиток протезування відбувся у 19 столітті. Однією з ключових фігур того часу став Джеймс Джіллінгем. Він займався виготовленням взуття, але після створення пари вдалих протезів повністю змінив напрямок діяльності. Джиллінгем майстрував неймовірно естетичні протези, зокрема нижніх кінцівок. Що найцікавіше — створення однієї моделі йшло в середньому не більше 10 днів. У сумі винахідник створив понад 15 тисяч протезів.

Після двох світових воєн та відкриття нових матеріалів протезування вийшло на новий рівень. Зараз у продажу можна зустріти як досить прості конструкції, так і розумні протези.

Різновиди сучасних протезів

Використання передових досягнень науки дозволяє робити максимально легкі, реалістичні та навіть повнофункціональні протези кінцівок. Замість дерева та металу тепер активно застосовують пластик і навіть карбон. Вартість протеза залежить безпосередньо від функціональності.

Косметичні протези. Це найпримітивніші конструкції, які використовуються виключно для приховування відсутності кінцівки та не виконують функціональних дій.

Наприклад, косметичним протезом руки можна утримувати ложку, але не можна зробити якісь складніші рухи. Косметична нога підійде для неквапливої ходьби, проте через монолітну конструкцію бігати не вдасться. Зазвичай косметичні моделі використовуються як тимчасові. Протези ніг цього типу на постійній основі також ставлять людям з низьким рівнем активності, наприклад, якщо вони працюють вдома і рідко кудись виїжджають.

Головна перевага косметичних протезів – високий рівень імітації шкіри. Виробники пропонують кінцівки рук із промальованими венами, фалангами пальців і навіть нігтями, які можна фарбувати.

Крім культеприймача, у конструкції є каркас із пінопласту та косметична оболонка із силікону або інших м’яких полімерів.

Вартість виробів залежить від цього, яку частину тіла передбачається замінити. У середньому якісний протез всього плеча коштує від 3 до 7 тисяч доларів. При цьому косметичну оболонку періодично доведеться оновлювати.

Механічні протези. Це багатофункціональні конструкції, які складаються з набору модулів, що імітують суглоби. Складання протеза, як правило, виконується індивідуально – протезист враховує фізіологічні особливості пацієнта та ступінь його активності. На основі цього підбирається оптимальна конструкція з необхідною кількістю рухомих елементів.

Механічно (тяговий) протез руки функціонує внаслідок згину в кістковому або ліктьовому суглобі. Цей рух натягує вбудовані троси, які своєю чергою призводять до згинання пальців на штучній руці. Косметична оболонка – не обов’язковий атрибут, найчастіше такі протези мають кастомний дизайн у різних кольорах, з візерунками та не тільки.

Механічні моделі дозволяють виконувати відносно складні роботи. Наприклад, брати та утримувати в штучній кисті дрібні речі, кататися на велосипеді або самокаті. Внаслідок відсутності електроніки протези досить легкі, а також абсолютно не бояться промокання.

Виготовляється все це з нержавіючої сталі, алюмінію та поліаміду. Протез передпліччя важить до 500 грамів, але дозволяє підіймати вантажі вагою до 10 кілограмів.

Вартість таких протезів може бути як і косметичних протезів, так і набагато більше, тут все залежить від якості та функціоналу. Механіка ще потребує обслуговування в середньому кожні пів року.

Останнім часом дорогим протезам від великих компаній з’явилася доступніша альтернатива. Дедалі більше людей почали активно користуватися 3D-друком. Наприклад, інженер із Хорватії надрукував на 3D-принтері повноцінний протез руки, а вартість створення він оцінив лише у 30 доларів! Всю конструкцію можна надрукувати за день та плюс ще добу на складання.

І такі випадки не поодинокі – 3D-друк дозволяє швидко та максимально дешево виготовляти нескладні тягові конструкції з точністю до міліметрів.

Механічні протези ніг – це модульні конструкції, які можуть працювати із застосуванням пневматики або навіть гідравліки. Використовуються три основні модулі: культеприймач (гільза, силіконовий чохол або вакуумна), колінний модуль та стопа. Моделі нерідко передбачають регулювання щиколотки, перемикання механізму під різний тип ходьби, торсіонні пристрої для амортизації, стабілізації. Начинка підбирається залежно від активності людини – з функціональним протезом можна не лише комфортно бігати, а й плавати.

Залежно від конструкції вартість механічних модульних протезів ноги сягає 35 тис. доларів.

Біонічні розумні протези. Найдорожчі та найпросунутіші моделі. Ключова особливість — застосування електроніки та мікропроцесорів. Робота біоелектричних протезів полягає в зчитуванні електричного потенціалу залишкових м’язів.

Коли ви намагаєтеся рухати рукою, мозок посилає по нервах електричні імпульси — вони успішно доходять до певних м’язів, ті скорочуються і виконується рух. Однак, якщо руку втрачено, то ці імпульси не доходять до кінцевої точки й просто згасають. Біоелектричні моделі оснащуються спеціальними датчиками, які зчитують сигнал скорочення залишкових м’язів, підсилюють його та дають команду сервоприводам протеза на рух.

Однак слід розуміти, що такі протези не зчитують розумову діяльність, а лише реєструють струми в м’язах. Простіше кажучи, більшість моделей з парою груп датчиків не дозволяє подумки керувати кожним окремим пальцем або змінювати положення кисті.

Ключова перевага – це різні набори хватів. Наприклад, модель Bebeonic має 14 варіантів — для столових приладів, для взяття предметів, для натискання кнопок і так далі. Порівняно з механічними протезами відкривається значно більше сценаріїв використання.

Напружуючи залишкові м’язи, користувачі контролюють лише два рухи — стискання та розтискання механічних пальців. Однак змінювати режими доведеться вручну — за допомогою кнопки на руці або через мобільний додаток. В останньому можна програмувати й положення пальців для окремих режимів хвата.

Переходити між хватами можна і без будь-яких кнопок та програм. Деякі моделі дозволяють це робити всього з парою датчиків, але від користувачів знадобиться певна вправність.

Найсучасніші біонічні протези мають набір датчиків кожного окремого пальця. Програмування їх набагато складніше, оскільки необхідно визначити залишкові м’язи, які відповідають за рух кожним окремим пальцем. Ведеться розробка та альтернативні методи. Наприклад, інженери з Технологічного інституту Джорджії навчилися проводити ультразвукове зчитування напруженості м’язів. Завдяки цьому музикант Джейсон Барнс, який втратив руку, зміг зіграти мелодію на фортепіано.

Використання електроніки, крім усіх переваг, має і ряд мінусів. По-перше, ціна. Вартість біоелектричних моделей сягає 150 тис. доларів. По-друге, більшість протезів бояться води — захист за стандартом IP67 та IP68 мають лише найпросунутіші та найдорожчі. По-третє, взаємодія з такими протезами набагато складніша, навчання може зайняти місяці.

Інша проблема – обмежений запас енергії. Місткості АКБ вистачає на 16 і більше годин безперервних циклів стиснення та розтискання, після чого протез потрібно заряджати. Зазвичай використовуються гнучкі акумулятори, які легко укладаються у внутрішньому просторі протеза.

Протези ніг конструктивно трохи простіші. Внутрішні мікропроцесори контролюють нахил стопи та за допомогою сервоприводів дають додатковий імпульс у момент відштовхування. Це робить рух стопи максимально природним, що дозволяє легко підійматися сходами або навіть бігати.

 

Що на нас чекає у майбутньому

Поки навіть найсучасніші протези — це лише надбудова, яка не має жодного зв’язку з нервовою системою людини. Система лише зчитує рух залишкових м’язів, що суттєво обмежує функціонал та пропонує лише найпростіші рухи. До того ж залишається питання з автономністю та необхідністю обслуговування.

Наступний етап — це нейропротезування, створення системи «мозок-протез». Тоді імпульси зчитуватимуться не з м’язів, а безпосередньо з нервових закінчень, і з’явиться можливість реалізувати навіть тактильні відчуття. Все впирається у створення нейроінтерфейсу — розробки в цій сфері веде Ілон Маск зі своєю компанією Neuralink.

Нагадаємо, інженери Neuralink вживили чіп N1 Link мавпі. Примат зміг зіграти силою думки в пінг-понг, а також керувати курсором та користуватися віртуальною клавіатурою. У планах на 2023 рік — перевірити технологію на людях із тяжкими травмами спинного мозку.

Найпростіші інтерфейси вже існують, вони зчитують електронні сигнали мозку та перетворюють їх на рухи. Ключова перевага — керувати механічною рукою можна навіть у тому випадку, якщо людина повністю паралізована.

Науково-дослідна корпорація США DARPA у 2012 році випробувала свій інтерфейс на повністю паралізованій жінці. Ян Шойєрман погодилася на імплантацію електродів у свій мозок, завдяки чому отримала можливість керування роботизованою рукою.

Дослідники з Університету Джона Хопкінса у 2022 році представили схожу систему — дві роботизовані руки допомогли частково паралізованому пацієнту з комфортом поснідати з використанням столових приладів та сили думки.

Проте все це поки що поодинокі прототипи. Нейроінтерфейс вимагає ретельного «підганяння» під кожну конкретну людину та тривалого налагодження, що не дозволяє технології отримати масове поширення.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Читайте также:

Пристрій для усвідомлених сновидінь дозволить працювати навіть уві сні

Людина з майбутнього або як технології майбутнього оточують нас вже зараз

Колишні інженери Google представили повністю автономний робот-пилосмок Matic

Висока кухня зі смаком науки або як тарілка перетворює подачу страв у шоу