РБК
Совместный проект
Биоинженерия

Запчасти для нас: как бионические протезы и экзоскелеты улучшают жизнь людей

Еще недавно бионические протезы и экзоскелеты казались фантазией из кассового блокбастера. Сегодня с использованием технологий солдаты становятся выносливее в пять раз, а люди, перенесшие инсульт, начинают играть в футбол и пробегают марафон.

Киборг-пианист: возможности биоэлектрических протезов

Самый современный вид протезов сегодня — бионические протезы. Они работают за счет миодатчиков, которые считывают сигналы, возникающие при сокращении мышц, и приводят механизмы в действие. Такие высокотехнологичные протезы изготавливают с помощью 3D-печати, и они уже вышли за пределы лабораторий — их выпускают серийно, однако из-за сложности «начинки» стоят они всё еще очень дорого: 30−50 тысяч долларов.

Главная задача, которую сейчас решают разработчики бионических протезов, даже не удешевление технологии, а повышение функциональности и адаптивности к телу человека.
Одними из первых протез с возможностью персонализации выпустили британцы. В 2015 году они представили протез с 24 различными видами хвата и специальное приложение к нему, с помощью которого пациент мог настроить под себя еще более десяти видов движений, их скорость и силу.
Исландцы пошли дальше и решили сделать протез, который сам будет подстраиваться под владельца. Компания Ossur разработала протез ноги с электронным управлением, по сути самостоятельного робота, который с помощью сотен датчиков анализирует окружающую среду и особенности движения хозяина, а потом воспроизводит их. Протез выполняет около тысячи замеров в секунду, постоянно обучается и с каждым разом всё лучше угадывает намерения человека.

Еще один протез, работающий на базе технологии машинного обучения, в прошлом году представили исследователи из Технологического института Джорджии. Дополненная системой ультразвука новая разработка не только быстро «привыкает» к владельцу, но и с высокой точностью выполняет его указания. Благодаря этому первый обладатель протеза музыкант Джейсон Барнс смог сыграть упрощенную версию оды «К радости» Бетховена.

Повысить точность и чувствительность бионических протезов также пытаются с помощью альтернативных методов управления. Например, имплантации электродов к периферическим нейронам в оставшейся части конечности и даже через мозговые имплантаты. Например, в 2016 году в Америке испытали протез руки, подключенный к моторной и сенсорной зонам коры головного мозга. Тогда пациент смог с высокой точностью управлять каждым пальцем отдельно и даже ощущать прикосновения, а мелкая моторика протеза стала сравнима с естественными возможностями человека.

Ученые Хьюстонского университета представили искусственную кожу: заключенные в резиновую оболочку эластичные полупроводники, с помощью которых владелец протеза смог различать температуру воды.

Еще одно важное направление развития бионического протезирования — настройка обратной связи и тактильной чувствительности. В прошлом году ученые Хьюстонского университета представили искусственную кожу: заключенные в резиновую оболочку эластичные полупроводники, с помощью которых владелец протеза смог различать температуру воды, горячей и холодной, в двух стаканах. Почти одновременно с этим о подобной разработке заявили ученые из Глазго: им удалось создать систему, которая не только обладает тактильной чувствительностью, но и питается солнечной энергией за счет встроенных фотоэлементов. По словам ученых, «кожа» уже вырабатывает энергии больше, чем требуется для ее работы, так что в будущем, возможно, именно она станет источником питания самих протезов, которые пока требуют регулярной зарядки.

Экзоскелеты: от войны до мира

В отличие от протезов экзоскелеты не заменяют конечности — они усиливают или помогают воспроизводить функции органов людей, при этом часто совершенно здоровых. Еще с 60-х годов прошлого столетия основным двигателем разработки таких технологий была военная сфера. За счет внешнего каркаса и приводящих частей экзоскелет может не просто повторять движения человека, но и пропорционально увеличивать силу мышц и амплитуду движений. Активнее других разработкой военных экзоскелетов сегодня занимаются США, Китай и Россия. Существующие прототипы уже позволяют солдату двигаться со скоростью 16 км/ч и поднимать более 40 килограммов, не прилагая почти никаких усилий. В феврале 2018 года китайцы впервые представили экзоскелет с рекордным на данный момент коэффициентом 5. Это значит, что для выполнения любого действия с его помощью от человека требуется в пять раз меньше усилий, чем обычно.

Успехи в военных разработках вдохновили ученых на поиск применения технологии и в мирных целях. Экзоскелеты уже используют в автомобильной промышленности: год назад Ford начал тестировать «умные» каркасы верхних частей тела, которые предназначены для снижения нагрузки и уменьшения риска травм на производстве. Эти экзоскелеты также умеют анализировать нагрузку и физические возможности каждого сотрудника, занятого в конвейерной сборке, и тем самым помогают лучше распределять задачи и прогнозировать производительность.

Разработчики из Штатов занимаются созданием экзоскелетов для спортсменов. Уже в 2019 году они планируют запустить массовую продажу внешних каркасов с амортизаторами, которые снизят нагрузки при занятиях горнолыжным спортом. Авторы разработки уверены, что такой экзоскелет будет популярен и среди профессионалов, и среди любителей, тем более что стоит он сравнительно недорого: 2−2,5 тысячи долларов.

Не отстает и сфера развлечений. Весной этого года исследователи из Швейцарии представили FlyJacket, мягкий каркас для верхней части тела, с помощью которого человек может управлять беспилотником, наблюдая полет с помощью VR-системы. Нужно лишь раскинуть руки и наклонять корпус — дрон будет точно повторять движения «пилота». В скором времени разработчики планируют добавить функцию обратной связи с дроном и за счет тактильных ощущений сделать впечатления от полета еще ярче.

Но всё же главная область мирного применения экзоскелетов — медицина. Технологию используют при реабилитации после травм позвоночника и инсульта, а также для восстановления подвижности людей с рассеянным склерозом.

С помощью экзоскелетов люди с инвалидностью уже могут то, что раньше им казалось невозможным: участвуют в походах, играют в футбол, бегают. Например, в апреле этого года парализованный ниже пояса Саймон Кайндлисайдс пробежал Лондонский марафон с помощью экзоскелета — 42 километра за 26 часов.

Чаще всего в медицине используют экзоскелеты нижних частей тела, и пока большинство из них имеют довольно ограниченный список команд и предусматривают только десять возможных видов походки. Из-за этого привыкание к экзоскелету обычно занимает у пациента несколько месяцев.

Ученые надеются решить эту проблему с помощью машинного обучения. В прошлом году исследователи из Гарварда разработали экзоскелет и программное обеспечение, которое анализирует походку, особенности движения, данные о дыхании и частоте пульса человека. Это программное обеспечение само всего за 20 минут адаптируется под пациента, снижая тем самым его энергозатраты при ходьбе на 17%.

При этом энергозатраты самого экзоскелета всё еще остаются одной из главных проблем, над которой работают исследователи по всему миру. Большинство экзоскелетов сегодня могут работать без подзарядки около пяти часов. «Выносливее» только военные разработки, например, в этом году американцы заявили о создании экзоскелета, который может работать без питания до 16 часов, однако только батарея в нем весит почти 6 килограммов. Интересную альтернативу аккумулятору предложили японцы. Они придумали экзоскелет нижней части тела, механизм которого работает без батарей, только с помощью пневматического насоса, который приводит в действие вес самого человека.

Большинство экзоскелетов сегодня управляются с помощью специальных планшетов или «умных» костылей. То есть пациентам приходится постоянно отвлекаться, чтобы переключать режимы и выбирать необходимые функции. Год назад робототехническая компания Bionik Laboratories представила свой вариант решения этой проблемы: «ноги» с использованием Alexa от Amazon, которыми можно управлять с помощью голосовых команд «Иди вперед», «Стой» или «Садись».

Такой шаг в развитии экзоскелетов — это не только новые возможности, но и дополнительная ответственность. С появлением первого экзоскелета, подключенного к сети, стало ясно: кибератака «умного» протеза теперь так же вероятна, как атака персонального компьютера. Тодд Карпентер, эксперт по кибербезопасности, который специализируется на медицинских устройствах, говорит, что, несмотря на перспективность разработки, опасность утечки данных или неправильной интерпретации команд из-за взлома системы может нанести пациенту слишком серьезный урон. Так что до выхода подобных технологий на рынок разработчикам предстоит доказать защищенность таких интеграций, отсутствие уязвимостей в продукте, безопасность хранения данных, то есть решить задачи, над которыми сегодня работают все компании, вышедшие на рынок IoT.

Тестируем новую технологию