Тело человека — его «бутылочное горлышко». Его малая прочность может привести к тому, что человек станет неполноценен вследствие травмы. Однако, люди пытаются бороться с этой проблемой с древнейших времен, заменяя потерянные конечности простейшими протезами. Но этого мало. Даже современные бионические протезы, не смотря на развитие науки и технологий, не способны восстановить все возможности утраченной конечности. И на сегодняшний день важнейшая цель в биопротезировании — достигнуть эквивалентности между искусственной и натуральной конечностью. Но, кроме этого, данная наука может дать человечеству гораздо большее, нежели эффективную реабилитацию. По моему мнению, развитие этой отрасли для преодоления своих природных слабостей — одна из важнейших задач для человечества. Сейчас, несмотря на все это, наблюдается спад интереса к этой области, и мой проект нацелен на исследование проблем, связанных с данной областью, и предложение возможных путей преодоления преград.
Бионика — очень многогранная наука, занимающаяся исследованием самых различных структур природы: от построек, созданных на основе пчелиных сот, до летательных аппаратов, копирующих строение птиц. Разделяют три основных направления бионики:
– биологическая — изучение процессов, происходящих в биологических системах;
– теоретическая — построение математических моделей этих процессов
– техническая — применение полученных моделей на практике.
Бионическое протезирование является одним из разделов бионики, эта отрасль занимается проектированием и созданием протезов утерянных органов и конечностей. Именно об этой отрасли мы и говорим в данном проекте.
Может показаться, что это совсем новая наука, появившаяся совсем недавно в связи техническими достижениями прошлого века, однако, основы в этой области были заложены еще в древнейших цивилизациях.
Самым первым упоминанием протеза считается одна из индийских песен о воительнице, потерявшей в бою ногу, и заменившей ее на железную. Существуют также находки протезов в Древнем Египте.
Так же существовали косметические протезы, скрывавшие отсутствие определенных частей тела, однако не выполняющих функций потерянного органа или конечности (протезы глаз, пальцев, зубов и т. д.)
С развитием механики протезы становились более функциональными. В XIX веке протезы ног оснащались шарнирами заместо коленного сустава, для большей подвижности, а в начале XX века немецкий врач Герман Крукенберг разработал руку Крукенберга — «клешня» из лучевой и локтевой костей, создаваемая при ампутации кисти, позволяла повысить уровень комфорта использования механических протезов, увеличить их подвижность.
На сегодняшний день, благодаря техническому прогрессу, управление функциональным протезом перешло на новый уровень. Современным протезом верхней конечности можно считать миоэлектрический (биоэлектрический) протез. Управление в миоэлектрических протезах осуществляется за счет сигналов, возникающих при сокращении мышц, которые считывают ЭМГ-датчики. В культеприемную гильзу встроены миодатчики, улавливающие изменение электрического потенциала. Эта информация передается на микропроцессор кисти, и в результате протез выполняет определенный жест или хват.
Помимо протезов, закрепляемых снаружи, существуют и те, которые вживляются внутрь тела. Примером могут послужить искусственные сосуды или суставы и даже органы. В конце XX века началась разработка кардиопротеза, способного заменить человеку сердце. Так, в 2000 году, первый такой протез был установлен Питеру Хаутону, которому было суждено жить несколько недель. Однако операция удлинила срок его жизни не на недели или месяцы, а на целые 7 лет.
Несмотря на все эти достижения, на сегодняшний день развитие этой отрасли туманно.
Современные миоэлектрические протезы на сегодняшний день широко распространены и постоянно используются в протезировании. Принцип работы таких протезов прост: в гильзе есть два электрода, которые принимают электрические сигналы, посылаемые к рукам, когда мы собираемся выполнить какое-либо действие рукой. Однако, вариативность движений у таких рук невелика. Существует несколько заранее запрограммированных хватов, которые попеременно переключаются усилием культи, каждый из который сжимается и разжимается в зависимости от импульса, подаваемого к мышце.
Проблема этого способа состоит в том, что вариативность положений кисти крайне ограничена. В самых последних коммерческих моделях содержится около 15 жестов с регулировкой силы сжатия кисти, среди них как общие положения и хваты, так и специальные, по типу хвата «ключ» или трехпальцевого хвата. Это крайне ограничивает пользователей протезов и местами им приходится сталкиваться с трудностями в ситуациях, отличных от повседневных.
Однако, этой системе, по всей видимости, скоро на смену придет новая, более продвинутая схема. В прошлом году шведским ученым впервые удалось подключить протез напрямую к нервам человека. Имплантаты с 16 электродами вживили в культю пациента, что позволило получать более точные сигналы от нервной системы, избавиться от значительной задержки и, более того, даже стимулировать сенсорные нервы, благодаря чему человек воспринимает ощущения, возникающие в протезе, значительно облегчая пользование.
Значительное развитие, также, получили за последние годы и протезы ног. Современные образцы способны заменить человеку обе ноги, и при этом он будет способен чувствовать неровности поверхности и способен контролировать свои движения в трудных участках пути. Происходит это благодаря микропроцессору внутри протеза, который анализирует поверхность, и ставит ступню в наиболее оптимальное положение в соответствии с тем, как это бы сделал здоровый человек.
На данный момент темпы развития бионического протезирования значительно замедлились. Связано это с несколькими важными проблемами.
Энергоемкость
Протезу требуется довольно много электроэнергии для работы. Батареи, в среднем, хватает на несколько дней, что в условиях жизни в городе не проблема, однако отправиться в поход с бионическим протезом — не лучшая идея.
Ограничения
Несмотря на прогресс в этой области, большая часть протезов неспособна и на половину заменить руку здорового человека. Связано это как со значительной задержкой сигнала от электрода к сервоприводам, так и с ограниченным количеством хватов.
Цена
Бионический протез — приспособление дорогое. Современные модели обойдутся от 3 до 5 миллионов рублей. И если в нашей стране для людей, потерявших конечности, существуют специальные программы, направленные на финансовую поддержку со стороны государства, то жителям многих стран приходится надеяться лишь на себя и на благотворительные фонды.
Этичность
В современном мире существует множество точек зрения, и не все они способствуют научному и техническому прогрессу. Некоторые люди считают, что протезирование противоречит религиозным постулатам, другие же считают подобную технологию опасной из-за того, как ее представляли фантасты той эры, когда о подобном люди только мечтали. В том или ином случае, имеет место быть опасение, непонимание или просто малая осведомленность об этой технологии, что приводит к меньшему распространению биопротезов среди менее прогрессивных слоев населения.
К счастью, все эти проблемы возможно преодолеть и, несмотря на отсутствие крупных новостей в этой сфере последнее время, такая важная отрасль не может быть заброшена.
Проблема с энергопотреблением может быть решена созданием более мощных аккумуляторов, способных в меньших объемах сохранять наибольшее количество энергии. Это повысит автономность протезов, сделает их владельцев менее «зависимыми от розетки».
Новые способы присоединения протезов к нервной системе человека позволит снять ограничения жестикуляции для пользователей протезов, позволит точно получать обратную информацию от протеза, сократит задержку. Это значительно повысит их уровень жизни, приблизив к здоровым людям.
Цена бионического протеза — главный камень преткновения на данный момент. Но даже эта проблема может быть решена благодаря современным 3D-принтерам, значительно удешевляющим процесс создания. Развитие компьютерных технологий позволяет создавать более эффективные микропроцессоры, способные выполнять более сложные действия, и при этом снижает их стоимость.
Технический прогресс способен привести к значительному скачку в области биопротезирования. Недавно созданные искусственные мягкие мышцы, могут быть использованы в протезах будущего, наделяя обладателя превосходящей человеческую силой, а также снизить затраты на производство в следствии замены менее эффективных и дорогих моторов и сервоприводов на синтетические мышцы.
Помимо синтетических мышц, параллельно ведется разработка синтетической кожи, способной передавать все чувства, которые может испытывать человек своей кожей: тактильные ощущения, температура, вес, давление, прочность объекта и многие другие. В совокупности с другими факторами, это позволит полностью заменить человеку потерянную конечность.
Протезы обладают значительным потенциалом и вскоре смогут заменить людям с отсутствующими конечностями некоторые повседневные гаджеты. Так, уже сейчас некоторые производители встраивают в свои протезы методы электронных платежей, а в настоящее время ведется разработка протезов с дисплеями, по функционалу сходными с современными смартфонами, голосового управления.
Таким образом, с каждой волной развития протезов, качество жизни пользователей значительно улучшалось, и уже вот-вот настанет момент, когда бионический протез будет невозможно отличить от настоящей конечности не столько по внешнему виду, сколько по функционалу.
Следующее поколение протезов будет значительно превосходить оригинальные конечности, и бионическое протезирование, помимо реабилитационной функции, станет для человечества методом совершенствования собственного тела в зависимости от потребностей
Можно предположить, что развитие бионики в целом и биопротезирования в частности может помочь достичь человечеству настоящего бессмертия. Бионические протезы органов уже позволяют смертельно больным людям продлить свою жизнь на годы, протезы конечностей уже замещают большую часть функций органических конечностей и в скором времени обещают превзойти их. Однако существуют две значительные проблемы: технологическая и этическая. И если уровень развития технологий — лишь вопрос времени, то отношение людей, религии, общества к данной идее может закрыть человечеству путь к бессмертию.
Литература:
- Douglas Murphy. Fundamentals of Amputation Care and Prosthetics. — New York, NY, United States: Demos Medical Publishing, 2013. — 248 с.
- AK. Agarwal. Essentials of Prosthetics and Orthotics. —: Jaypee Brothers Publishers, 2013. — 233 с.
- Bella J. May, Margery A. Lockard. Prosthetics & Orthotics in Clinical Practice: A Case Study Approach. —: F. A. Davis Company, 2011. — 418 с.
- Artificial hand and forearm, 1601–1700 // science museum Brought to life. URL: http://broughttolife.sciencemuseum.org.uk/broughttolife/objects/display?id=91691 (дата обращения: 14.03.2020)
- Artificial heart man dies aged 68 // BBC. URL: Artificial heart man dies aged 68 (дата обращения: 14.03.2020).
- The first dexterous and sentient hand prosthesis has been successfully implanted // Detop Project. URL: http://www.detop-project.eu/news/the-first-dexterous-and-sentient-hand-prosthesis-has-been-successfully-implanted/ (дата обращения: 14.03.2020).
- Prosthetic Hand from Victorian Era // scinoptions. URL: https://scinotions.com/prosthetic-hand-from-victorian-era/ (дата обращения: 14.03.2020).
- Paul D. Marasco, Jacqueline S. Hebert, Jon W. Sensinger. Illusory movement perception improves motor control for prosthetic hands // Science Translational Medicine. — 2018. — № 10,432. — С..
- Emily L. Graczyk, Matthew A. Schiefer, Hannes P. Saal, Benoit P. Delhaye, Sliman J. Bensmaia, Dustin J. Tyler. The neural basis of perceived intensity in natural and artificial touch // Science Translational Medicine. — 2016. — № 8, 362. — С.
- Rise of the Terminator: Superstrong artificial muscles created by scientists are 100x STRONGER than humans' and could be used in prosthetic limbs, exoskeletons and robots // daily mail online. URL: https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-7241511/Artificial-muscles-created-scientists-100x-STRONGER-humans.html (дата обращения: 14.03.2020).
