Рука помощи: как устроен бионический протез. Как работает бионический протез

Хью Герр — профессор Массачусетского технологического института — с помощью двух протезов ног ведет активный образ жизни и занимается скалолазанием. А еще — ведет исследования в области биомехатроники — технологии, которая объединяет физиологию человека с электромеханикой. В 2011 году журнал Time назвал его «лидером бионической эпохи»

Какие бывают протезы?

• Косметические — выполняют только декоративную функцию.
• Функциональные — активные протезы, которые позволяют выполнять хват. Управляются посредством различных механизмов. Могут быть в косметической оболочке, имитирующей внешний вид руки, либо иметь современный технологический дизайн. Косметические — выполняют только декоративную функцию.

Функциональные протезы делятся еще на три вида: тяговые, рабочие и бионические. Они отличаются принципом работы, материалами, из которых производятся, ценой и временем, которое требуется организму, чтобы к ним адаптироваться.

• Тяговые (активные, механические). В таких движение осуществляется за счет пружин и тросов. Это менее функциональные, но дешевле по сравнению с бионическими протезами.
• Миоэлектрические (бионические). Они оснащены сенсорными датчиками, электрическими двигателями и аккумуляторными батареями.
• Рабочие. Они созданы специально, чтобы выполнять какие-то функции, например перемещать предметы или заниматься спортом.

Из чего делают протезы?

Производство протезных конечностей стремительно улучшается. В частности измения касаются выбора материалов. Протезное устройство должно быть более легким, следовательно, большая часть его сделана из пластика.

Розетка обычно изготавливается из полипропилена. Легкие металлы, такие как титан и алюминий, заменили большую часть стали в пилоне. Наиболее часто используются сплавы этих материалов. Новейшей разработкой в производстве протезов стало использование углеродного волокна для формирования легкого пилона.

Еще один новейший материал для протезов — углепластик. Протезы из него легкие и могут быть выполнены в различных вариациях, например, с пружинами из углеродного волокна, с длинными композитными дугами.

Современные технологии в протезировании

В России такие изделия на постоянной основе производят только две российские компании — «Моторика» и MaxBionic.

В мире же таких компаний намного больше: известными производителями бионических протезов в мире сейчас являются Ossur (Исландия), Ottobock (Германия), Vincent Systems (Германия), Taska (Новая Зеландия), Steeper (Великобритания).

Суть работы бионических протезов заключается в том, что электроды, установленные в культеприемную гильзу, считывают электрический потенциал с мышц культи. Датчики передают информацию на микропроцессор, а тот преобразует ее в двигательные команды. Обычно при напряжении мышц протез делает хватательные движения, при расслаблении происходит разжатие.

Например, российский бионический протез «Страдивари» внешне напоминает косметический протез, но он может хватать предметы, а еще в него можно встроить дополнительные функции: оплачивать покупки через PayPass. В бионическую руку также можно вмонтировать черно-белый дисплей для отслеживания уровня заряда, даты, времени и режима управления протезом. Такой протез стоит 390 тыс. рублей.

Протез MaxBionic — MeHandS — стоит 14 тыс. долларов. Компания производит именно кисти — гильзу собирают сторонние протезисты. Это многосхватовый протез — пальцы могут двигаться по отдельности и брать предметы несколькими способами.

На российском рынке есть и зарубежные протезы компаний i-Limb, Touch Bionics, Ottobock (наиболее известные модели — Michelangelo, Bebionic) и Vincent System (Vincent de). Выбор среди зарубежных моделей больше, но их цена выше в несколько раз, а то и в десятки. Для сравнения — немецкий бионический протез предплечья Bebionic стоит от 2 млн рублей, а бионическую кисть i-Limb продают на Ebay за 40 тыс. долларов.

В прошлом году сотрудники Университета Вандербильта показали, как работает прототип высокотехнологичной искусственной лодыжки. Благодаря наличию датчиков, моторов, сервоприводов и микрокомпьютера протез может без участия человека анализировать поверхность, по которой движется человек.

Большую роль в удешевлении производства бионических протезов играет 3D-печать. Она позволяет делать протезы максимально подходящими под каждую конкретную ситуацию, а также индивидуальный дизайн для протеза. К примеру, компания Open Bionics совместно с Disney выпускает легкие и функциональные протезы Hero Arm, которые изменили отношение к своему состоянию у множества детей.

Внутри этой железной руки, изготовленной в XVII веке, был механизм, который позволял сгибанием оставшейся руки управлять сжатием кулака. Это был, видимо, прообраз современных тяговых протезов.

Запчасти для человека

О замене утраченных органов человечество задумывалось с древних времен, постепенно совершенствуя эту область знаний и сами протезы. Если первые протезы в основном имели эстетическое предназначение и визуально скрывали ущербность, лишь в редких случаях выполняя функции недостающих органов, то современные устройства в недалеком будущем смогут даже расширить возможности человека, сделав из него кибернетический организм, или киборга.

Несмотря на то что киборгизация человечества все еще выглядит сюжетом из фантастики, киборги уже живут среди нас, ведь так можно назвать любого человека, который использует механический или электронный протез или имплант. Сегодня одним из самых совершенных и при этом доступных видов протезирования верхних конечностей являются бионические протезы.

Бионика – наука, изучающая возможности применения свойств живой природы в технике. Впервые это слово употребил в 1958 году американский военный врач Джек Стил, который исследовал природные процессы и явления, чтобы применить эти знания в разработках для армии США. Одним из результатов развития бионики стало появление электронных протезов, которые могут взаимодействовать с нервными клетками человека.

Примечательно, что в СССР подобные разработки начались еще в 1956 году, когда доктор биологических наук Яков Славуцкий описал физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами. А уже в 1961 году начался промышленный выпуск советских протезов предплечья с биоэлектрическим управлением.

Стать киборгом за счет государства

В России около 200 тысяч человек нуждаются в протезировании рук или ног. Государство декларирует помощь в приобретении протеза, но на практике это часто оказывается проблематичным – либо очень сложно пройти через бюрократические препоны и получить компенсацию стоимости купленного за свои деньги протеза, либо выделяемые бесплатно протезы оказываются устаревших моделей и низкого качества. Еще одна проблема – сами инвалиды мало знают о современных протезах и о своих возможностях в получении технических средств реабилитации.

Но ситуация постепенно выравнивается. В рамках нацпроекта «Здоровье» увеличивается финансирование направления. В России за последние несколько лет появились свои стартапы разработчиков перспективных типов протезов, которые могут конкурировать с западными монополистами, по меньшей мере, на российском рынке. К теме проявляют интерес СМИ, шаг за шагом создается инфополе, у проектов появляются частные и государственные инвесторы, готовые поддержать деньгами и производственными возможностями.

Важным стимулом к развитию функциональных протезов стало развитие технологий. Практически все современные промышленные тренды нашли отражение в протезировании конечностей – роботизация, искусственный интеллект, создание материалов нового поколения, увеличение емкости и снижение веса аккумуляторных устройств, 3D-печать и другие.

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.

Протез Stradivary — миоэлектрический. Для его установки не требуется хирургическое вмешательство. Поверхностные миодатчики встраиваются в приёмную гильзу, касаются определённых мест на коже в районе мышц, улавливают потенциал при сокращении мышцы и передают сигнал на раскрытие или закрытие кисти.

Эволюция бионических протезов

Первые протезы появились более 3 тыс. лет назад, в Древнем Египте. Это были деревянные пальцы, которые защищали от мозолей при ходьбе в сандалиях.

В XVI веке немецкий рыцарь Готфрид носил железную руку, чьи пальцы сгибались при нажатии кнопки на ладони. Пишут, что с ее помощью он мог даже писать пером.

В XVIII—XIX веках в Викторианской Англии носили механические устройства, которые приводились в движение с помощью рычагов и гибких тросов. Протезы становились более функциональными — у них больше подвижных суставов — и эстетичными: их форма все больше похожа на настоящие конечности. Некоторые даже украшали чеканкой или гравировкой.

В XX веке протезы делают тяговыми: чтобы согнуть или разогнуть конечность, нужно потянуть за рычаг. На смену дереву и железу приходят облегченные металлы и пластик. В итоге протезы становятся легкими — исчезает дисбаланс между травмированной частью тела и здоровой. Пластиковые модели еще и выглядели максимально реалистично, помогая обладателю справляться со стеснением при ношении протеза.

Наконец, в 1958 году впервые прозвучал термин «бионический»: его придумал военный врач Джек Стил, занимавшийся медицинскими и аэрокосмическими исследованиями. Он исследовал природные процессы и структуры, а затем использовал их для военных разработок. В том же году в СССР разработали первую микроэлектрическую руку.

Вдохновленный исследованиями Стила, американский писатель-фантаст и авиационный эксперт Мартин Кейдин выпустил в 1972 году книгу «Киборг», где впервые описал «бионических людей».

Первую бионическую руку в современном понимании этого слова сделали в 1993 году для Джона Кэмпбелла. Она приводилась в движение за счет датчиков, подсоединенных к мозгу и спрятанных под кепкой.

В 2007-м канадская Touch Bionics представила i-limb — первый широко доступный бионический протез. Эта рука весила всего 25 кг, обладала тонкими пальцами и открывала больше возможностей для мелкой моторики: от работы с мышкой до завязывания шнурков. Протез крепится на гильзе, легко закручивается и откручивается.

В 2010-м компания BeBionic представила на Международном конгрессе по протезированию и ортопедии в Лейпциге первый серийный протез. А первый широко доступный — Symbionic Leg — выпустила в 2011-м исландская Össur. В 2013 году она дополнила модель микропроцессорным управлением: теперь протез подстраивался под походку своего владельца.

Основанная в 1971 году, Össur стала одним из лидеров рынка, скупив с 2000 года 16 крупнейших производителей и стартапов. В 2019-м ее капитализация составила более $450 млн.

Следующим этапом стали протезы, управляемые при помощи мозга. В 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны США (DARPA) испытала такой во время полета на авиасимуляторе F-35: им управляла парализованная женщина с помощью механических рук.

В 2018 году появились первые протезы для глаза — Argus II. Он помогает частично восстановить зрение за счет электростимуляции оставшихся клеток.

Современные протезы используют разработки робототехники, умеют имитировать индивидуальные жесты, передавать тактильные ощущения. Наконец, экзоскелеты — это переходный этап: они не заменяют утраченные органы, а дополняют, расширяя возможности человека. С их помощью люди без физподготовки могут поднимать тяжести, а парализованные — двигаться.

Сколько стоят бионические протезы (и почему так дорого)

По данным исследовательской компании Grand View Research, объём мирового рынка роботизированных протезов в 2016 году составлял $790,8 млн. Прогноз на 2025-й — до 400,75 млрд. Рынок растет вслед за развитием технологий, а также — количеством ампутаций и их спонсированием за счет НКО.

По данным американской аналитической компании Frost & Sullivan, средняя цена современных усовершенствованных протезов варьируется от $5 тыс. до $50 тыс.

Протез Bebionic стоит более $10 тыс., i-limb — от $60 тыс. до $120 тыс., бионический глаз Argus II — около $150 тыс.

В России бионическая рука обойдется от 100 тыс. до 1,5 млн руб.

Пока протезы так и не стали массовыми, а их разработки обходятся достаточно дорого, объединяя инженеров, биологов, медиков. При этом создаются протезы каждый раз индивидуально: гильза, к которой крепится бионическая рука или нога должна идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого приходится делать несколько моделей, а на тренировки и реабилитацию уходят недели.

В большинстве случаев протезы оплачивает страховая компания или государство — как в России. Но для этого нужно пройти много инстанций и медкомиссию, и выбор моделей будет очень узким.

Возможно, ситуацию сможет исправить 3D-печать: с ее помощью создают недорогие протезы, с учетом всех индивидуальных особенностей, и украшать на свой вкус. Кроме того, они еще и очень легкие. Такой протез стоит до $10 тыс.

Самые-самые: руки из Lego, ноги для спортсменов и супермоделей

В последние годы бионические протезы выполняют не только свою основную функцию — они стали чем-то большим: образом жизни, увлечением и даже модным аксессуаром.

Hero Arm — разработка компании Open Bionics и Disney. Ее придумали для детей, но и взрослые тоже пользуются. Каждая модель создается по мотивам популярных комиксов, фильмов или игр: «Железный человек», «Звездные войны», «Холодное сердце», Deus Ex

Хью Герр — профессор Массачусетского технологического института — с помощью двух протезов ног ведет активный образ жизни и занимается скалолазанием. А еще — ведет исследования в области биомехатроники — технологии, которая объединяет физиологию человека с электромеханикой. В 2011 году журнал Time назвал его «лидером бионической эпохи»

Джейсон Барнс — барабанщик, который при помощи протезов рук играет на ударных быстрее, чем обычные люди

Первую бионическую руку в современном понимании этого слова сделали в 1993 году для Джона Кэмпбелла. Она приводилась в движение за счет датчиков, подсоединенных к мозгу и спрятанных под кепкой.

Материалы, используемые при производстве

Новый протез ноги или руки состоит из следующих конструктивных элементов:

• культеприемная гильза;
• каркас;
• система механического или электронного управления.

При производстве современных протезов новых поколений применяют легкие сплавы металлов высокой прочности, углепластик, полимерные материалы, силикон. Цена такой модели зависит от применяемых технологий.

Бионические протезы – новые достижения ведущих производителей

Бионические современные протезы – модели самых новых поколений, которые конструируются индивидуально с использованием электронного оборудования. Работают они от специальных аккумуляторов, которые нужно регулярно подзаряжать. Электрические импульсы от искусственной руки или ноги подаются к корешкам нервных окончаний и обратно. Таким способом управлять движениями можно путем подачи мозгового сигнала.

Важно научиться правильно пользоваться современным новым протезом, потому что на начальных этапах освоения этого приспособления возможны серьезные проблемы. Пациенты не всегда могут правильно рассчитать силу хвата, ширину шага, скорость ходьбы. Поэтому модель настраивается индивидуально под физиологические особенности каждого пациента при помощи электронной системы управления.

Современные протезы для ног выше колена, как и другие подобные конструкции важно установить в первые 60 дней после ампутации. Этот период называют «золотым окном» для протезирования. Важно учитывать и психологическое состояние пациента. Нередко люди после ампутации впадают в глубокую депрессию. А успешное освоение функций новых конструкций и привыкание к ним напрямую зависит от желания пациента.

Будущее протезирования

Наука не стоит на месте, со временем медицина научится пересаживать руки и ноги выше колена, возвращая функциональность поврежденных частей тела. Но пока что большие надежды возлагаются на современные бионические технологии протезирования. Ученые и медики рассчитывают, что роботизированные заменители рук и ног выше колена новых поколений смогут со временем выполнять абсолютно все функции, доступные настоящим конечностям.