Дмитрий Дзюба, Ultimate Robotics: «Наша цель — биопротез руки ценой около $2 тыс.»

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

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

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

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:

Читайте также:

5 найкращих організацій, які використовують Web 3.0 для вирішення біотехнологічних проблем

Як інженери перетворили мертвих павуків на маніпулятори для роботів

Добірка українських подкастів про науку, технології та IT

На лисій миші виростили людське волосся. Чи це кінець алопеції?