Вступление.
Если немного углубиться в человеческую природу, то можно увидеть много недостатков в нашем, казалось бы, "совершенном" организме. Именно эти недочёты делают человека крайне уязвимым почти ко всему, что его окружает. На протяжении всей истории существования людей, они учились не просто приспосабливаться, а пытались бороться с недостатками своего организма путём использования сторонних предметов. У нас нет клыков, шерсти и тем более крыльев, однако мы можем заменить всё это на нечто более совершенное: начиная с обычной палки-копалки и заканчивая космическими ракетами. Даже в эпоху величайшего прогресса мы всё ещё сталкивается с весьма серьезными проблемами, которые могут стать помехой в нашей жизни. Одной из таких проблем является потеря конечностей (около 15% населения Земли имеют функциональные нарушения и примерно 50 миллионов человек ежегодно становятся инвалидами). Да, ещё не научились выращивать полноценные части тела, которые будут функционировать лучше прежних, но именно в наше время научное сообщество как никогда близко оказалось у решения вопроса об инвалидности. Путём совмещения научных исследований из различных областей появилась такая наука как бионика. В целом — это наука об использовании свойств, функций и структур живой природы в технических устройствах. Проще говоря — это наука о создании искуственного аналога "изобретения" природы. И одним из её направлении является бионическое протезирование. Для более детального изучения этой темы углубимся в нашу историю.
Немного из истории.
Сам принцип протезирования придуман очень давно и первый зафиксированный случай применения протеза был около 5 тысяч лет назад в Древнем Египте. Протез правой руки был обнаружен на раскопках в Саккаре в 2001 году, а принадлежал он высокопоставленному египтянину, жившему в эпоху династии фараона Джосера. После анализа данной находки, учёные пришли к заключению, что это изобретение крепилось к телу при помощи системы кожаных ремней и даже имело некоторые функции, приводимые в действия движениями тела. Например повороты влево и вправо могли сгибать и разгибать кисть.
Ещё одним примером может положить весьма знаменитая железная рука рыцаря Геца фон Берлихигена, изготовленная в 1509 году неизвестным кузнецом. Выглядела такая рука как перчатка латного доспеха и в её функции входила фиксация пальцев в произвольном положении благодаря храпикам и пружинам. Пальцы разгибались одним нажатием кнопки. Такая замена руки позволяла рыцарю держать не только оружие, но и более мелкие предметы.
Несмотря на древнее происхождение протезов, они смогли по-настоящему зарекомендовать себя лишь к началу 19-го века. Это произошло благодаря изобретению антисептиков, которые сократили смертность от потери конечностей. Европейские врачи на протяжении 19-го века экспериментировали с применением механических протезов и уже в 1860 году Граф Бофор представил парижской академии упрощённый вариант механического протеза. Впоследствии это дало мощный толчок для развития этой отрасли. Протезы уже выпускались на промышленном уровне и стали доступны не только высшим слоям, как это было раньше, но и простым людям. И уже к 1944 протезирование стало преображаться в привычные нам протезы. А в послевоенные годы было налажено полномасштабное промышленное производство протезов различных частей тела и лидерами в производстве были СССР и Германия. Такие приспособления значительно упрощали быт человека, лишённого руки или ноги, но тем не менее такая вещь всё ещё не была полноценной заменой настоящей конечности. Человек с протезом всё ещё не мог полноценно работать или например готовить себе еду без особых усилий. Все эти недостатки изобретения поставили перед научным сообществом вопрос о совершенствовании механизма. И уже в конце 20-го начале 21-го века должное развитие технологий позволило начать разработку биомеханического протезирования.
О бионических протезах.
Концептуально они не отличаются от своих механических предшественников, но в технологическом плане превосходили в несколько раз. Так например, создание новых полимеров позволило создавать конструкции с оптимальным (и даже идеальным) соотношением прочности и лёгкости. Это избавило людей с ограниченными возможностями от дисбаланса в опорно-двигательного аппарате. Следующее новшество — это усовершенствованная механика. В её состав входят встроенные сервоприводы, шарниры и тяги, которые обеспечивают устройству подвижность. А, например, в ножных протезах применяются пневматические, гидравлические или пружинные амортизаторы. Ну и наконец главное, отличающее от механического протеза, нововведение — встроенная электронная система управления. Внутри протеза установлено несколько микропроцессоров, которые обрабатывают информацию с датчиков, считывающих нервные сигналы. Такие детекторы подключены к остаткам мышц конечности и считывают изменения потенциалы при сокращении этих самых мышц. Но в более продвинутых протезах датчики устанавливаются на кожу головы или под неё, что существенно снижает время отклика механических частей. И даже несмотря на это, учёные продвинулись ещё дальше.
Новая Эра Биомеханики
Развитие бионических технологий за последние несколько лет шагнуло очень далеко вперёд. Биофизик из Массачусетского Технологического Института (ориг. Massachusetts Institute of Technology), который когда-то потерял ноги из-за обморожения, вместе с командой разработал бионические протезы ног нового поколения. А что конкретно он принёс в эту новую технологию, будем разбирать по порядку.
Присоединение
Протез закрепляется на части тела с помощью слоёв синтетической кожи разной плотности, которая обратно симметрична биомеханике нижележащей ткани. Чтобы получить такую симметричность, исследователи создали математическую модель ноги при помощи средства визуализации МРТ. Делалось это для того, чтобы возникло понимание чёткой форма ноги. Далее использовалось 14-ти приводное кольцо с сервоприводами, которые измеряли упругость натуральных тканей в разных анатомических зонах. И далее конструировалось особое индивидуальное крепление с зонами синтетической ткани, обратными по упругости зонам натуральной ткани ноги. Такая технология позволила создать максимально удобный для ношения протез.
Управление
В синтетическую кожу протеза так же вшивается специальный "умный материал", который под действием электрического тока может становиться мягким или же твёрдым. Такой материал значительно повышает эффективность протеза при ходьбе. Так же в таком протезе имеется функция подталкивания человека с помощью голени. Изучив принцип управления костного мозга мышцами, учёные применили этот же принцип и в протезе. Работает это так: при касании пятки об поверхность, процессор задаёт всей системе жёсткость, что смягчает удар от столкновения, а в среднем положении бионическая нога выдаёт мощный момент и подталкивает человека. Это даёт возможность не просто удобно ходить, но и бегать.
Обратная связь
Это по-настоящему мощный прорыв. В бионической ноге теперь используется принцип проприоцепции. Проприоцепция — это ощущение частей тела в пространстве. Для его применения на ампутированной ноге восстанавливаются повреждённые нервы и сращиваются сухожилия противодействующих мышц (противодействующие они по той причине, что когда одна сжимается, другая растягивается), а затем нервные окончания сращиваются в матрицах микроканалов в самом протезе. Благодаря восстановлению мышц и нервных окончаний, присоединённый протез ощущается в пространстве даже с закрытыми глазами. Но самое поразительное то, что вся естественная биомеханика, идущая от центральной нервной системы, появилась и в механической конечности как рефлексивное действие. Так как после применения проприоцептивного принципа между живой ногой и механическим протезом возникла обратная связь, то ЦНС сама понимает как управлять искусственной ногой на естественном уровне. И теперь протез не просто отдельный предмет, а полноценная функционирующая часть тела.
Проприоцепция — мышечное чувство — ощущение положения частей собственного тела относительно друг друга и в пространстве.
"Живые" механические конечности существуют уже не на страницах фантастических рассказов, а в реальности. Новые технологические исследования позволяют не просто создать замену части тела, а полноценный девайс. Теперь люди не просто восстановят утерянное, но и приобретут нечто новое.
То время, когда человек сможет присоединить себе дополнительную руку и управлять ей уже ждёт нас в недалёком будущем. Но это будет потом, так что сейчас вы можете ознакомиться с разработками протезов разных фирм. Вот некоторые из них: RSL Steeper, Ottobock, Össur. Это зарубежные фирмы, превосходящие по технологиям российских производителей. Но в России тоже имеется серийная разработка моделей "Страдивари" от компании Motorica. Вы можете ознакомиться с ней в видео:
Вы можете прочитать больше подобных статей в нашем Telegram канале: t.me/it_pulse
