"бионические" протезы: какие органы сегодня можно подменить электроникой

Кибер-руки Ростеха

В России наблюдается постепенный переход от косметического протезирования к функциональному, а рынок бионических протезов с каждым годом растет. По словам экспертов, в данный момент около 50 тыс. россиян стоят в очереди на протезирование рук. Сегодня благодаря участию госсектора молодые ученые и бизнесмены готовы вкладывать свои силы и знания в бионику. Невысокая цена – основное конкурентное преимущество отечественных разработок: базовые модели разрабатываются с учетом полного покрытия стоимости протеза субсидией Фонда социального страхования. Второй плюс для тех, кто выберет российский протез – более оперативная замена или ремонт в случае неполадок.

Перспективным направлением занимается сразу несколько предприятий Ростеха. Например, холдинг «Технодинамика» в следующем году начнет серийное производство бионических протезов руки под маркой A.R.M., выполненных полностью из отечественных компонентов. Протез создан совместно с командой изобретателей из Ленинградской области. Искусственная рука из металла и полиуретана воспроизводит основные движения кисти, не боится пыли и влаги и работает до трех дней без подзарядки. С помощью протеза можно поднимать до 10 кг и захватывать предметы диаметром до 10 см. Производить протезы A.R.M. будет НПП «Краснознаменец».

Холдинг «Швабе» уже выпускает высокотехнологичные протезы рук в сотрудничестве с резидентом «Сколково» – компанией «Моторика». Специалисты Вологодского оптико-механического завода собирают механическую часть протеза и внутренний остов кисти. Устройства «Моторики» отличаются чуткой системой управления, позволяющей работать с хрупкими предметами, различным дополнительным функционалом и длительным временем работы. Компания «Моторика» занимается просветительской деятельностью, помогает с получением протезов за счет государства и поддерживает сообщество владельцев бионики.

В рамках холдинга КРЭТ производство бионических протезов осваивает НПО «Квант». Предприятие готовится к выпуску протезов SmartLi, разработанных новгородской компанией «Техбионик»

Важное преимущество разработки – модульная конструкция протезов. Она открывает широкие возможности для адаптации устройств под конкретных пациентов и снижает стоимость протеза

Проект предусматривает выпуск целой линейки протезов: от облегченных моделей для маленьких детей до многофункциональных искусственных кистей.

Что такое бионический протез?

Первые протезы появились задолго до развития бионики и технологического бума. Еще в записях древнегреческого историка Геродота, есть упоминания о том, как во время греко-персидской войны (499−449 гг. до н.э.), один из заключенных тюрьмы изготовил себе деревянный аналог ампутированной ноги.

Без сомнения подобные изделия могли облегчить процесс передвижения человека, однако рассчитывать на комфорт или функциональность не приходилось. Причем, с подобными недостатками приходилось мириться на протяжении еще многих столетий, пока синтез бионики и кибернетики не позволил создавать бионические протезы.

Материалы современных протезов

Обычно протезы состоят из культеприемной гильзы и каркаса, поверх которого может быть натянута оболочка. «Гильза — один из наиболее важных индивидуальных модулей протеза, она соединяет усеченную конечность с механическими частями и воспринимает основные статические и динамические нагрузки в системе “человек-протез”», — отмечает Владимир Нелюб, директор МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Комплектующие и материалы для разных видов протезов тоже нужны разные.

Косметические протезы производятся из силикона, что позволяет, например, искусственным рукам выглядеть максимально по-настоящему: на них, по желанию заказчика, наносятся родинки, вены и веснушки. Можно даже красить ногти: выглядят они довольно реалистично.
Бионические протезы тоже могут иметь силиконовую оболочку, но чаще всего каркас из высокопрочных материалов не скрывают, подчеркивая стильный дизайн и супер-начинку искусственных рук последнего поколения: моторы, аккумуляторы и датчики. Чтобы протез был легким и прочным, в ход идет углеродное волокно.

«Использование углепластика в протезах открывает массу возможностей как для техников, создающих их, так и для людей, которые будут их использовать в повседневной жизни. Такие протезы более надежны, долговечны, а главное, намного удобнее для пациентов. Они обеспечивают ту же силу отталкивания от земли, что человеческие мышцы и сухожилия.

Протезы из углепластика легкие и могут быть выполнены в различных вариациях, например, с пружинами из углеродного волокна, с длинными композитными дугами. Специальные датчики могут измерять мощность, положение стопы, регулировать угол ее наклона, жесткость протеза и уровень амортизации», — отмечает Владимир Нелюб.

Для изготовления гильз, которые плотно соприкасаются с культей, используются термопластик, силикон, литьевые смолы, полимеры, в некоторых случаях дерево. Тип крепления и материал гильзы выбирается индивидуально, зависит от высоты ампутации, состояния мягких тканей, наличия шрамов, рубцов, пересадки кожи. При среднестатистической культе можно использовать любой тип крепления, рассказывает Степан Головин, первый заместитель генерального директора ортопедического центра «Ортокосмос». Но тонкостей довольно много.

Степан Головин, первый заместитель генерального директора ортопедического центра «Ортокосмос»

«Важно уточнить, что по требованиям РФ материалы для протеза должны выдерживать 3 года эксплуатации у взрослого человека, то есть сейчас металлические части в производстве незаменимы», — подчеркивает Наталья Иванюк, генеральный директор «Бионик Натали». Компания производит бионические протезы на базе нейронной сети Bi-oN

Производители используют различные технологии производства, балансируя между себестоимостью, надежностью протеза и его конечной массой.

«В качестве конструкционных материалов используются металлы для несущих и нагруженных деталей, а также пластики для всех остальных. В последние годы набирает популярность использование аддитивных технологий как при изготовлении нескольких отдельных узлов (преобладает сплавление металлических порошков), так и при изготовлении основной номенклатуры деталей (тут уже чаще используется селективное лазерное спекание пластика)», — объясняет Павел Лавриков, технический директор «Клайбер Бионикс». Компания производит бионические протезы рук, в том числе Kleiber Solo.

Фото: Kleiber bionics

3 кибернетических технологии

Сенсоры мозговых волн

В одном из недавних экспериментов учёным удалось управлять вертолётом при помощи сигналов головного мозга человека, которые считывались при помощи ЭЭГ датчика.

Группа учёных из американского частного Университета Тафтса так же проводила подобный эксперимент, однако для считывания мозговых волн применялось другое устройство – инфракрасный спектрометр. Результатом этого эксперимента стало создание аппарата, который не только с помощью сенсоров улавливал мозговые волны, но и анализировал полученные данные, совершенно точно определяя личные предпочтения каждого из участников эксперимента.

В рамках проводимого исследования изучались предпочтения участников в области кино. Но самым интересным стало то, что чем больше испытуемый взаимодействовал с разработанной системой, тем точнее она определяла его предпочтения по фильмам, будто программа досконально изучала и понимала каждого участвовавшего в исследовании человека.

Сенсоры мозговых волн

На сегодняшний день эти сенсоры пока ещё не применимы, так как любая мелочь (посторонние звуки, движение головы и пр.) способна разрушить или исказить получаемый от мозга сигнал. В настоящее время учёные трудятся над возможностью решить эту проблему.

Результатом этого может стать разработка точной связи между человеческим мозгом и компьютером, который сможет не просто улавливать ваши предпочтения, но и принимать и предугадывать максимально верные решения: чем поужинать вечером или куда отправиться в отпуск в следующем месяце.

Подвижные протезы

Создание протезов – одна из самых первых разработок, в которых реализовала себя кибернетика как наука. За последнее двадцатилетие это направление получило максимально активное и масштабное развитие. Самый яркий пример прогресса в области создания подвижных протезов – миоэлектрический протез руки BeBionic, разработанный не так давно в Великобритании.

Эта биоэлектрическая кисть оснащена электромеханическим приводом и микропроцессорным контроллером. Электрический ток, проходящий через кожу и мышцы в верхней части искусственной руки, обеспечивает протез максимальной подвижностью: можно шевелить каждым пальцем руки, малейшего подёргивания будет достаточно, чтобы изменить положение кисти.

Как и любой другой протез, использование этой кисти требует определённой сноровки. Однако со временем человеку становится доступным выполнение ежедневных дел, которые невозможно было делать без протеза: приём пищи, работа за компьютером, поднятие небольших предметов и пр.

Нанофрактальные импланты

В 2005 году известный сегодня уже во всём мире нейробиолог Арманд Р. Тангуэй-младший представил свою разработку – бионический человеческий глаз, который крепился к сетчатке и получал изображение при помощи видеокамеры, установленной на очках. Канадский физик, лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Тейлор сейчас ведёт работу над созданием нанофрактальных имплантов, способных имитировать нейроны человеческого глаза.

Сложность в применении камер для глазных имплантов заключается в том, что изображение на них передаётся в не стандартном для глаза формате. Глазные нейроны разветвляются в форме фрактала, а камеры передают сигналы по прямой линии.

При подключении видеокамеры к сетчатке незрячего человека большая часть получаемого с неё изображения теряется в зазоре между техникой и органической тканью. По этой причине все изобретённые до сегодняшнего дня глазные импланты передавали нечёткое, размытое, нецветное изображение с большим количеством шумов.

Сколько это стоит и кто за это платит?

Роботизированные протезы во всем мире стоят дорого. Иногда – миллион рублей и больше. Но у нас социальное государство, и каждый человек в России, который имеет инвалидность, может рассчитывать на бесплатное получение высокотехнологичных протезов. Правда, это займет время и потребует значительных усилий по оформлению документов. Кто может помочь и как обстоит дело с оплатой, рассказали эксперты рынка.

«Примерно 70% наших протезов сделано за счет поддержки людей с инвалидностью государством. От активных тяговых до самой дорогой бионики за несколько миллионов рублей, – рассказывает Руслан Бабинцев. – Мы работаем по госконкурсу, который проводится Фондом социального страхования. Пользователь не платит, но процедура получения протеза может растянуться на срок от 3-х месяцев до года».

По словам эксперта, быстрее можно получить протез по компенсации. Пользователь оплачивает протез за свой счет с последующим возвратом средств от Фонда социального страхования. В этом случае он получает протез примерно за месяц, а компенсация от ФСС поступает к нему после изготовления протеза.

Фото: предоставлено компанией «Салют Орто»

«Если не удается получить поддержку от государства, мы подключаем благотворительные фонды, которые оплатят протезирование», – говорит исполнительный директор «Моторики». Главное – не отчаиваться, а обращаться во все инстанции.

Как рассказывает Иван Худяков, основная сложность – собрать необходимые документы и разобраться во всех положениях, чтобы оформить инвалидность. Некоторым очень трудно сделать это самостоятельно. В таких случаях стоит обратиться за помощью в благотворительные фонды или компании, занимающиеся изготовлением протезов. Они оперативно решают все проблемы, помогают пользователям подготовить пакеты документов.

Фото: предоставлено компанией «Салют Орто»

По словам эксперта, российский рынок кибер-протезов не сильно отстает от западного. «Хорошие интересные технологии, которые сейчас разрабатываются – очень перспективны и помогут догнать западных коллег при должном уровне спроса, – говорит Сергей Воинов. – Что касается господдержки, то, чем больше программ финансирования разработок будет появляться, тем больше будет становиться российский рынок бионических протезов».

На сегодняшний день разрабатываются программы по поддержке умного протезирования в рамках импортозамещения. «Есть программы, которые стимулируют приобретение оборудования, есть программы, которые стимулируют проведение НИОКРа (научно-исследовательских опытно-конструкторских работ), – говорит Иван Худяков. – Однако пока, по моему мнению, этих активностей недостаточно. Необходимо не просто производить, но и отлаживать параллельно новое производство, финансировать научно-исследовательские разработки. Сейчас в Минпромторге есть хорошая инициатива, связанная с проведением тестирования продукции с участием людей с инвалидностью. Если при испытании будет найдена ошибка, ее можно будет проработать и исправить. Для того чтобы стимулировать импортозамещение, необходимо ввести в практику НИОКР и масштабировать производство, а также обеспечить приемлемые цены для поставщиков. Это будет развивать и стимулировать рынок».

Настоящие киборги: на что способны современные бионические протезы

Будущее уже наступило, и киборги давно живут среди нас. Кто такие люди-киборги современности? И зачем программисты вживляют себе в тело чипы? Об этом рассказывает программа «Наука и техника» с ведущим Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.

Развитие биотехнологий в России

Когда говорят о развитии биотехнологий в России, приходится учитывать длительный период упадка и деградации научных учреждений. Сейчас, после нескольких лет интенсивного роста, российские биотехнологии представлены на мировом рынке в количестве 0,1%, а в 1885 году СССР имел долю 5% на рынке продукции, относимой к биотехнологиям. Это медицинские препараты, ферменты, гормональные препараты, чистые линии микроорганизмов, используемых в научных исследованиях, сельскохозяйственном производстве и очистке окружающей среды от вредных отходов.

Интересна судьба самого громкого и скандального проекта, ставшего достоянием гласности в конце восьмидесятых. Это БВК, белково-витаминные концентраты, получаемые из парафинов нефти при использовании специально выведенных бактериальных культур.

В прессе был поднят шум, тему обсуждали эмоционально, общественность требовала закрытия «вредного проекта». Однако работа была уже сделана – бактерии, питающиеся нефтепродуктами, существовали.

Для них нашлась полезная функция: очистка воды и земли от разлившейся нефти. Сейчас вода в морских и речных портах содержит значительно меньше нефтепродуктов, чем в 70-80 годы, благодаря их биологическому разложению.

При помощи прожорливых бактерий очищают территорию на предприятиях от мазута и других нефтепродуктов. Трудно переоценить пользу от этих микроорганизмов – ведь нефтяная пленка в двадцатом веке грозила погубить моря и океаны!

Производство белковой продукции из нефти не было поставлено на поток, но польза от данной биотехнологии несомненна!

В 2012 году российское правительство значительно увеличило государственное финансирование научных исследований в этой отрасли.

Интересно, что ряд проектов осуществляется на общественные пожертвования. К таким проектам относится исследование микрофлоры кишечника и на основе результатов — научно разработанные рекомендации по питанию, физическим нагрузкам, образу жизни. Эта тема популярна в России и в мире.

Жизнь в гаджете

Программист из Нью-Йорка Крис Дэнси считает себя настоящим киборгом. Крис обвешан датчиками с головы до ног. Гаджеты каждую минуту отслеживают его состояние по семи сотням параметров.

Дыхание, пульс, потраченные и полученные калории, фазы сна, реакция на прослушанную музыку, маршруты движения – вот далеко неполный список данных, которые каждый день обрабатывает компьютер программиста. Этому анализу подчинена вся жизнь молодого человека.

«Я даже бросил курить благодаря своим гаджетам. Начав мониторинг, я заметил, что вода, молоко и апельсиновый сок вообще не сочетаются с сигаретами. Они делают дым невкусным. Поэтому я начал плавно заменять никотин напитками. Весь процесс отказа занял пару лет. И уже восьмой год я не курю совсем», — сказал специалист, биохакер Крис Дэнси.

Гаджеты помогли Крису не только избавиться от вредной привычки, но и похудеть на 60 килограммов.

«Вы даже не представляете, как все в нашей жизни взаимосвязано. Анализируя данные, я понял, что, например, если смотреть сериал больше пяти часов подряд, начинается телевизионный запой. Меня засасывает, я не выхожу из дома по два-три дня и питаюсь одними чипсами. Неудивительно, что я весил больше 150 килограммов», — отметил Крис Дэнси.

История развития бионических протезов

Чтобы понять, как работают бионические протезы и проследить их эволюцию, необходимо определиться со значением этого термина.

Бионика (или биомиметика) – прикладная дисциплина, изучающая возможности применения принципов организации и функционирования живой материи при создании технических систем и устройств

. Говоря проще, это создание искусственных аналогов решений, «изобретенных» природой. Ярким примером такого подхода является застежка «велкро» (липуска), принцип действия которой был скопирован с репейника.

Итак, бионический протез (биопротез) – это искусственный аналог, структурно и функционально имитирующий работу утраченного органа. Хотя подобные устройства широко стали разрабатываться только сейчас, история их развития насчитывает уже несколько столетий. Одним из ранних примеров является «железная рука» немецкого рыцаря Готфрида Берлихенгена (16 век), имевшая подвижные пальцы, сгибание которых осуществлялось нажатием кнопки на тыльной стороне ладони. Протез позволял осуществлять захват крупных предметов (например, рукояти оружия) и, по некоторым сведениям, даже держать перо.

Модели, получившие распространение в Викторианской Британии 18-19 столетия, также являлись сугубо механическими устройствами и приводились в действие с помощью жестких тяг или гибких тросиков. Однако степеней свободы у них становится больше за счет увеличения количества суставов. В ладонях некоторых моделей того времени имеется отверстие, в которое вставляются различные функциональные насадки, например небольшой крюк для ношения сумок.

Протезы становятся не только функциональными, но и эстетичными – их форма приближена к очертаниям настоящих конечностей

, а сами изделия в некоторых случаях украшались чеканкой, резьбой и гравировкой. Особых успехов в 19 веке достиг Джеймс Джиллингем, изготавливавший искусственные аналоги ног и рук не только для взрослых, но и для детей с врожденными или приобретенными дисфункциями.

Протезы 20 века также представляют собой тяговые устройства.

Отличием стало использование современных материалов – прежде всего пластика и облегченных сплавов

, которые пришли на смену более тяжелым и труднообрабатываемым стали и древесине. Благодаря уменьшению массы был устранен один из главных недостатков протезов прошлого – повышенная нагрузка на одну из сторон тела и, как следствие, дисбаланс опорно-двигательного аппарата. Пластиковые модели позволяли также более реалистично имитировать облик здоровой человеческой руки или ноги, что положительно сказывалось на социализации их владельцев.

Несмотря на очевидный прогресс в протезировании, который человечество совершило за несколько веков, долгое время протезы представляли собой неудобные, малофункциональные аналоги утраченных конечностей. Их движения были очень ограниченными и неточными, что существенно снижало возможности использования таких устройств в бытовой жизни.

Как работает бионическая рука

Бионический или биоэлектрический протез рождается на стыке наук – биологии, медицины, инженерии. Дизайн тоже играет немаловажную роль. Сегодня и производители, и будущие пользователи протезов не ограничивают себя в визуальном копировании природной конечности – протез может выглядеть футуристичной рукой робота или быть раскрашенным яркими принтами.

Работает бионический протез так. На культю руки крепится гильза, которая в каждом случае изготавливается врачом-протезистом под индивидуальные параметры. В гильзе размещаются датчики мышечной активности, взаимодействующие уже непосредственно с роботизированной рукой.

Фото: «Концерн Радиоэлектронные технологии»

Управление бионической рукой осуществляется через электроды с помощью биоэлектрических потенциалов мышц. Другими словами, протез «улавливает» мышечные импульсы и реагирует на них определенными движениями. Большинство задач решается двумя действиями протеза – хватом и щупом. Первое позволяет взаимодействовать с крупными предметами, второе – с мелкими, например застегнуть молнию или завязать шнурки.

Некоторые производители расширяют возможности бионических протезов, встраивая в них различные датчики и гаджеты, устройства оплаты, фонарики. Уже сегодня понятно, что в обозримом будущем возможности протезов превысят возможности природных органов тела, и это откроет совершенно новые перспективы их применения.

Всё ли так хорошо?

Несмотря на передовые разработки и креатив, рынок имеет типичные российские проблемы. Значительную долю сегодня контролирует ФГУП «Московское протезно-ортопедическое предприятие», которое находится в стадии реорганизации.

Проверка Счётной палаты выявила, что предприятие имеет проблемы с выполнением Программы деятельности. Так, по документам за 2017 год она была выполнена в полном объёме, а по факту — всего на 75%. По мнению Счётной палаты, это могло отразиться на качестве услуг, предоставленных гражданам. Плюс к этому предприятие терпит убытки из-за сильного демпинга цен частных перекупщиков — они предлагают цены значительно ниже, чем у компаний-производителей.

Сооснователь проектов MaxBionic и Fadvis Максим Ляшко:

«Госкомпаниям не хватает людей и финансов — ценные сотрудники разошлись по частным фирмам или ушли в другие сферы. Производство заточено на удешевление: из-за этого нет экспериментов с новыми материалами, не создаются технологичные продукты. Технологии, с которыми мы работаем уже пять-семь лет, приходят к ним только сейчас.

Госпредприятия делают недорого, но под рынок не подстраиваются. Они производят односхватные протезы, которые уступают в функциональности новым моделям.

Те, кто постарше, идут к ним и особо не заморачиваются. Молодые и активные люди обращаются в более продвинутые компании, которые предлагают современные многосхватные модели. У них другой внешний вид, система управления — всё отличается.

А что касается госрынка, он хоть и проигрывает с точки зрения частной конкуренции, но имеет административный ресурс, которым всегда можно пользоваться».

Компания «Моторика» идёт по пути партнёрства с государством. «Мы работаем с ФГУП „Московское протезно-ортопедическое предприятие“. В нашей компании полный цикл — от разработки до производства, мы выступаем вендором для предприятий, которые могут работать с нашими пользователями даже в самых отдалённых уголках России», — говорит основатель «Моторики» Василий Хлебников.

«В нашей отрасли нормальная система государственного регулирования и неплохая система страхового обеспечения для людей с ОВЗ, но государственные и благотворительные средства можно использовать эффективнее. В этом поможет цифровизация. Наши экосистемные решения хорошо воспринимаются участниками отрасли — в том числе и госорганами. Уже сейчас мы запускаем пилотные проекты, которые сделают отрасль значительно лучше в ближайшем будущем», — добавляет Хлебников.