В ноябре 2016-го Киев посетил Дэн Меррилл (Dr. Daniel R. Merrill), доктор наук по биомедицинской инженерии, который занимается исследованиями и разработкой нейрональных интерфейсов, имплантов и протезной техники в американской компании Ripple LCC. Здесь он прочитал лекцию о нейронных интерфейсах и провёл воркшоп для украинских специалистов, которые работают в данном направлении. На мероприятиях, организованных Ukrainian Platform for Excellence in Education and Research, мы и познакомились с командой Ultimate Robotics, которая сейчас разрабатывает нейроинтерфейс для протеза руки. Подробнее о создании нейроинтерфейсов в Украине, их коммерческом потенциале и о своём проекте нам рассказал участник команды Дмитрий Дзюба:
Команда Ultimate Robotics
О возможностях нейроинтерфейсов
Нейроинтерфейс — способ передачи данных от нейронов человека в компьютер и обратно. Нейроинтерфейсы делятся на 2 очень разные группы: инвазивные и неинвазивные. Инвазивные требуют вживления электродов в мышцы, нервные волокна и кору головного мозга. Неинвазивные работают только снаружи, принимая и посылая сигналы через кожу. Неинвазивные гораздо проще в использовании, но дают низкую точность: невозможно увидеть сигнал от одного отдельного нейрона через кожу — только в среднем от группы, которая находится в этой области. Из-за этого они дают значительно меньше информации, а при стимуляции не позволяют выделить отдельные нервные волокна.
Инвазивные, в свою очередь, позволяют увидеть сигнал отдельного нейрона или малой группы нейронов, а при стимуляции могут создавать ощущение точечно, но требуют операции для их имплантации, а кроме того, отторгаются иммунной системой и перестают работать обычно уже через несколько месяцев. Зато возможности инвазивных интерфейсов очень широкие: подключаясь к нейронам, выходящим на мышцы, можно считывать движения и передавать их, например, компьютерной модели и управлять виртуальной рукой как своей собственной. Эти сигналы можно передавать протезу руки — это следующее поколение роботизированных протезов. Подключаясь к сенсорным нейронам, можно синтезировать ощущения — и если на протез поставить датчики касания, а их данные подавать сенсорным нейронам, то вскоре мозг научится чувствовать касания, как если бы это была настоящая рука.
Пока эти возможности реализованы отдельно, и только в нескольких лабораториях во всём мире — часть устройств позволяет чувствовать, другая часть позволяет управлять, это сделано на разного типа электродах и не собрано в одну систему. До широкого распространения таким технологиям ещё очень далеко. Основная проблема состоит в том, что чем больше возможностей мы хотим получить от интерфейса, тем плотнее его нужно интегрировать в человека: так, например, движения руки и пальцев можно прочитать с поверхности кожи, но не так точно как с использованием подкожных электродов. Е если имплантировать электроды в сами мышцы — можно воссоздать движение во всех деталях, но возникнут проблемы с воспалением и отторжением.
Со стимуляцией всё сложнее: чтобы синтезировать точные ощущения — например, касания на кончиках пальцев, — нужно вводить матрицу электродов в сам нерв, причём так, чтобы не повредить его внутренние волокна. Это — не только сложная операция, но и исключительно лабораторный метод: любой удар или даже сильное нажатие в области такого электрода может привести к тяжелым последствиям.
О коммерческих перспективах
Очень большая проблема имплантируемых нейроинтерфейсов в том, что до сих пор толком неясно, как добиться хорошей передачи сигнала, не повреждая нервные волокна и не вызывая отторжения. Ввести 1 электрод, который проработает 1 день в лаборатории — легко. Ввести матрицу электродов — гораздо сложнее. Добиться того, чтобы иммунная система не изолировала введённые электроды, чтобы они гарантированно не повреждали нервы, и чтобы при этом они могли работать хотя бы пару лет — задача, не имеющая решения сегодня. Технологии, в целом, наверное, готовы, и уже можно делать очень сложные вещи, но пока никто не знает, как именно создать матрицу электродов с нужными свойствами.
Нужны эксперименты, а с этим начинаются проблемы. На животных мало что можно проверить — у крысы не спросишь, чувствует ли она покалывание в одной точке, или холод в большой области. А эксперименты на людях запрещены очень строго: настолько, что если исследователь хочет вживить себе устройство собственной же разработки, но не может это сделать сам и ему нужна помощь хирурга — то в большинстве случаев такая операция будет нарушением закона, если только устройство не прошло очень долгий и очень бюрократический процесс сертификации. В этом плане именно медицинское применение упрощает формальности: если у человека уже нет руки, то вживление устройства мало что может испортить, а это значит, что его проще сертифицировать. Но когда технологии созреют, нейроинтерфейсы выйдут из области медицины. Они позволяют создать виртуальную реальность, которая ощущается телом не хуже (а возможно, и лучше) чем реальный мир — эта цель неизбежно притянет к себе технологии.
Имплантируемый нейроинтерфейс компании Ripple LLC, в разработке которого участвовал Дэн Меррилл
О разработках в Украине и поддержке государства
Если говорить о всех нейроинтерфейсах вообще — включая системы, которые снимают данные с поверхности кожи — то у нас есть довольно много групп, которые над этим работают. Точно их посчитать сложно, но думаю, их больше десяти. Если говорить об имплантируемых электродах — то я точно знаю только об одной команде, вероятно, есть ещё несколько. Всё это — энтузиасты, я не знаю ни об одной государственной лаборатории, которая бы на этом специализировалась и выдавала серьёзные результаты.
Вообще, если говорить о науке в контексте государства — то механизмы и, главное, психология в научных институтах мало поменялись со времён «совка», и если 50 лет назад это кое-как работало (гораздо хуже, чем принято думать), то сегодня эта система не работает совсем. Я не вижу смысла даже говорить об этом: любое актуальное, современное исследование просто не может выполняться в рамках государственной программы. Любой значимый результат может быть получен только группой исследователей, которые получают деньги и отчитываются о результатах совершенно независимо от государства. В этом есть свои «плюсы» и «минусы», но одно можно утверждать точно: государственный аппарат науки в Украине абсолютно бесполезен.
Мы никогда не опирались на государство ни в одной из своих разработок — ни сейчас в этой команде, ни раньше, когда я работал в другой научной области. Как-то раз мы получили грант из США, лет 10 назад. Бюрократия там не меньше нашей, в результате полезной работы не получилось — деньги пришли на полтора года позже чем были нужны, да ещё и мы не могли их тратить так, как стоило бы.
Я вижу одну вещь, которую можно было бы действительно сделать на уровне государства: создать удобные пространства для работы групп, вроде нашей. Помещения с круглосуточным доступом, бесплатные для некоммерческих, недорогие для коммерческих наукоёмких проектов. Очень много команд собираются и быстро распадаются просто потому, что им негде собраться, негде поставить оборудование, не выходит начать работу и все теряют мотивацию — я сам участвовал в нескольких таких и видел десятки. Также я вижу сотни пустых комнат в любом научном институте, которые изолированы от внешнего мира вахтёром на проходной, а в головах — мифом о науке и учёных, которые где-то там делают что-то эдакое. Сделать так, чтобы этот вахтёр помогал людям носить тяжелое оборудование, а не мешал заниматься полезным делом — сложный, но возможный шаг для нашего государства.
О протезе руки
Мы в Ultimate Robotics действительно работаем над протезом руки уже довольно давно, и у нас три цели:
- во-первых, создать такую руку, которая механически приблизится к настоящей руке; существующие популярные протезы очень далеки от этого;
- во-вторых, обеспечить интуитивное управление этой рукой через чтение сигналов со многих сохранившихся мышц — существующие протезы (кроме некоторых исследовательских, к которым человек не может реально получить доступ) этого совсем не обеспечивают, у них только 2 сенсора, а для плавных движений нужны десятки;
- в-третьих, эта разработка должна быть с открытым исходным кодом и чертежами, а цена — в пределах $2 тыс.
Неинвазивный миограф, разработанный командой Ultimate Robotics
Зачем нужен такой протез, думаю, очевидно — много людей потеряли руки в АТО и не только. Существующие протезы, даже лучшие и очень дорогие модели, не дают и близко ощущения своей руки. Мы сначала загорелись идеей создания такого протеза, потом научились тому, что для этого необходимо, сейчас уже заканчиваем необходимую электронику. С механикой сложнее, но тоже есть продвижения, так что думаю мы сможем его сделать. Пока нет причин отказываться от наших целей — мы к ним уверенно приближаемся.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: