Бионические протезы: что это такое и как они работают

По вопросу перехвата

Когда человек без руки хочет пошевелить пальцем, мозг генерирует соответствующий сигнал, который передается по нервам, ведущим к мышцам этой конечности. Но поскольку рука отсутствует, сигнал уходит «в пустоту». Что, если бы где-то на этом пути можно было «перехватить» нервные импульсы и, проанализировав и обработав данные, сформулировать команды управления для роботизированной руки? Ряд исследовательских групп движется в этом направлении, стремясь разработать протезы, которые считывают нервные сигналы и преобразуют их в движение.

0 РЕКЛАМА — ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ 0 0 РЕКЛАМА — ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

В Хьюстонском университете и Университете Райса в США были проведены эксперименты по получению сигналов двигательных нервов с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) с использованием электродов, расположенных на коже головы. Сложность заключается в том, что ЭЭГ представляет собой совокупность множества различных сигналов, и задача выявления среди них тех, которые контролируют движения конечностей, сродни поиску иголки в стоге сена.

0 РЕКЛАМА — ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге, Швеция, вместе с коллегами из консорциума NEBIAS (проект нескольких европейских университетов) пошли другим путем. Вместо того чтобы размещать электроды на поверхности кожи, где полезный сигнал сильно зашумлен, исследователи попытались уменьшить влияние помех, вшив электроды под кожу. Однако физиология каждого человека отличается, и невозможно заранее точно знать, где именно следует разместить электроды, чтобы добиться максимального соотношения сигнал/шум.

Самые популярные протезы рук и ног

Современные бионические протезы имеют различные конструкции и принципы работы, в зависимости от модели. Существуют варианты, которые двигаются, используя активность других мышц. Более продвинутые модели оснащены датчиками, реагирующими на нервные импульсы — они могут даже воспроизводить мелкую моторику рук. Существуют также протезы, которые выглядят так, будто вышли из научно-фантастического фильма, поскольку они работают, буквально читая мысли человека. В будущем таких моделей должно стать больше, поскольку компания Neuralink, основанная Илоном Маском, разрабатывает интерфейс для создания прямой связи между человеческим мозгом и компьютером. Она уже достигла больших успехов в этой области.

В будущем можно будет управлять бионическими протезами с помощью мыслей

Первый в мире коммерчески доступный протез руки был разработан компанией Touch Bionics в 2007 году. Он назывался i-limb и заменял утраченную руку с помощью специального рукава для ее крепления. Весом 25 кг (отличный показатель для того времени) и с тонкими пальцами, он мог захватывать любые предметы. Владельцы могли есть с помощью столовых приборов, а также пользоваться компьютерной мышью и завязывать шнурки.

Бионическая рука i-limb

В 2016 году Touch Bionics была куплена исландской компанией Össur. В дополнение к ней испанец купил более десятка других производителей протезов, что сделало его лидером в этой области. По состоянию на 2019 год капитализация Össur составляет более 450 миллионов долларов США.

Процесс использования бионического протеза от Esper Bionics

Продолжается работа по совершенствованию бионических протезов. В настоящее время многие инженеры хотят сделать так, чтобы с помощью искусственных рук и ног можно было чувствовать боль. Идея заключается в том, что неприятные ощущения выполняют защитную функцию в нашем организме, предупреждая нас об опасности. О перчатке, которая может сенсибилизировать протезные конечности, можно прочитать здесь. Читайте также о протезе ноги с самой реалистичной стопой — как он облегчает ходьбу?

Протез ноги с наиболее реалистичной стопой

Сколько стоят протезы рук и ног?

По данным исследовательской компании Frost & Sullivan, цены на современные бионические протезы варьируются от 5 000 до 50 000 долларов США. Цена напрямую зависит от полноты перечня возможностей, скорости работы, мощности, качества материалов и других параметров. В пересчете на наши деньги это означает, что в России бионические протезы стоят от 300 000 рублей.

Бионический протез ноги

В России вы можете получить бионический протез бесплатно, будучи инвалидом. Для этого вам необходимо обратиться в больницу по месту жительства и пройти медико-социальную экспертизу. Медицинское обследование направлено на включение протеза в индивидуальную программу реабилитации.

ТЕСЛА СКОРО СТАНЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ РОБОТОВ. ВОТ ПОДРОБНОСТИ

Активный (тяговый или механический) протез кисти и предплечья Kibi

Активный протез управляется сухожилиями и полностью контролируется человеческим телом без использования электроники.
Принцип работы механических протезов рук очень прост, поэтому такие протезы можно устанавливать в самом раннем возрасте. В нашей компании производятся современные активные протезы KIBI для детей с 2 лет, предназначенные для лечения травм запястья и предплечья.
Сила этого механизма заключается в возможности контролировать силу. Пользователь сам определяет силу и скорость захвата и ощущает сопротивление, когда рука упирается в предмет.

Дополнительная информация об активных протезах рук

Биоэлектрические протезы рук

Биоэлектрический, также известный как миоэлектрический или бионический, является одним из самых современных и передовых протезов руки. Согласно классификации Министерства труда Российской Федерации, они называются внешними силовыми протезами.
Миоэлектрические протезы рук управляются сигналами, генерируемыми сокращениями мышц, которые считываются датчиками ЭМГ.
Миоэлектрические датчики встраиваются в гнездо культи для обнаружения изменений электрического потенциала. Эта информация передается на микропроцессор руки, который заставляет протез выполнять определенный жест или захват.

Первый человек с современным бионическим протезом

До второй половины 20-го века все протезы рук и ног имели множество недостатков. Современный протез, лишенный большинства недостатков, был впервые установлен в 1993 году Робертом Кэмпбеллом. В 1982 году у него диагностировали страшный мышечный рак, остановить который можно было только ампутировав больную руку. После операции мужчина хотел вернуться к своей обычной деятельности и обратился к ученым.

Роберт Кэмпбелл с бионической рукой

Представители Центра хирургии развития и биоинженерии установили «Эдинбургскую модульную систему руки» в оставшуюся руку мужчины. В отличие от ранее существовавших протезов, бионическая рука состояла из микропроцессоров, шестеренок и моторов, удерживающих конечность в различных положениях. Благодаря искусственной руке Роберт Кэмпбелл теперь снова может вести нормальную жизнь без каких-либо серьезных ограничений. Само собой разумеется, он был занесен в Книгу рекордов Гиннесса.

Бионическое протезирование сегодня

Только в конце 20-го и начале 21-го века развитие микроэлектроники, материаловедения, медицины и нейрофизиологии создало условия для разработки устройств, максимально приближенных по функциям к человеческим конечностям. Более того, сегодняшние технологии позволяют создавать аналоги таких сложных органов, как ухо и глаз, что было недостижимо в предыдущие эпохи. Современный бионический протез конечности представляет собой электромеханическое устройство, которое приводится в действие нервными импульсами. Его конструкция состоит из следующих компонентов:

  • Рама. Изготовленный из пластика и сплавов легких металлов, он обеспечивает жесткость протеза и защищает электронные компоненты от повреждений. Рама имеет втулку, которая позволяет прикрепить устройство к культе. Для улучшения эстетики протез покрывается силиконовой или резиновой мембраной, напоминающей кожу.
  • Механика. Бионические протезы имеют встроенные приводы, суставы и стержни, которые позволяют устройству двигаться. В искусственных ногах также используются гидравлические, пружинные или пневматические амортизаторы для амортизации и распределения ударной нагрузки во время движения.
  • Система управления . Для управления протезом используются датчики нервных сигналов и процессор, управляющий исполнительными механизмами. В имеющихся в продаже миоэлектрических моделях датчики подключаются к мышцам культи и регистрируют изменения их биопотенциала во время сокращения. В опытных энцефалографических устройствах датчики крепятся к коже головы или имплантируются под нее и регистрируют электрические потенциалы мозга. Некоторые модели также оснащены датчиками обратной связи, чтобы пациенты могли испытывать проприоцептивные и тактильные ощущения.

Нейрофизиологический принцип работы бионического протеза значительно облегчает управление им и хотя бы частично дает пациенту ощущение, что у него есть полностью функционирующая конечность. Большинство моделей, представленных на рынке, позволяют пациенту выполнять довольно широкий спектр действий — держать миску и столовые приборы, писать, печатать, завязывать шнурки, подниматься по лестнице и даже заниматься спортом (бег, лыжи).

Трудно определить, когда и кем был изготовлен первый бионический протез, но в 2007 году британская компания TouchBionics начала массовое производство таких устройств. В настоящее время на рынке представлено несколько производителей функциональных протезов, включая RSL Steeper (Великобритания), Ottobock (Германия) и Osseur (Исландия). Их продукция широко используется в медицине для помощи людям с ограниченными возможностями, но из-за низкого спроса и слабой конкуренции даже простой бионический протез стоит около 25 000 долларов (не включая установку и последующую реабилитацию). Для решения этой проблемы некоторые страны ввели программы поддержки, финансируемые государством. Бионические протезы в России практически не производятся — модель Страдивари, выпускаемая компанией «Моторика», является одним из немногих примеров серийной отечественной разработки.

Отдельно стоит упомянуть о бионических глазных протезах, первые модели которых уже появляются и используются для помощи людям, страдающим дистрофией сетчатки. Имеющиеся в настоящее время устройства (например, Argus II компании Second Sight) представляют собой систему электродов, имплантированных в сетчатку глаза и соединенных с внешней камерой, установленной на очках. Изображение с него поступает на встроенный видеопроцессор, который обрабатывает сигнал и отправляет его на имплантат, который стимулирует оставшиеся здоровые клетки сетчатки. Этот протез может частично восстановить зрение и позволяет видеть контуры крупных предметов и даже печатные изображения. Хотя использование внешней камеры и недостаточная четкость изображения существенно ограничивают возможности и удобство Argus II, он уже используется в медицинской практике, в том числе и в России. Протезы Alpha IMS и PRIMA схожи по принципу действия и конструкции.

Источники

  • https://www.techinsider.ru/science/235633-kak-rabotayut-bionicheskie-protezy/
  • https://Hi-News.ru/technology/skolko-stoyat-bionicheskie-protezy-i-naskolko-oni-xoroshi.html
  • https://motorica.org/vidy-protezov-ruk
  • http://robo-sapiens.ru/stati/bionicheskie-protezyi/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Лечение зубов ПримаДент