Бионические протезы сегодня являются авангардом медицинской инженерии. Человеческий организм несовершенен, потеря конечности и органа, к сожалению, не является редкостью и составляет огромную социальную проблему. Печальная статистика демонстрирует, что около 15% населения Земли имеют те или иные функциональные нарушения, мешающие нормальной жизнедеятельности, примерно 50 миллионов человек ежегодно становятся инвалидами. Вызванные этим финансовые потери составляют свыше 4 триллионов долларов – это огромная нагрузка на мировую экономику. Поэтому создание протезов, хотя бы частично возвращающих человеку утраченную функцию, является Святым Граалем современной медицины.
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.
Бионическое протезирование сегодня
Лишь в конце 20 и начале 21 веков развитие микроэлектроники, материаловедения, медицины, нейрофизиологии создало условия для появления устройств, максимально приближенных по своим функциям к человеческим конечностям. Более того, нынешние технологии позволяют разрабатывать аналоги таких сложных органов, как ухо и глаз, что было недостижимо в предыдущие эпохи. Современный бионический протез конечностей представляет собой электронно-механическое устройство, приводимое в движение нервными импульсами. Его конструкция состоит из следующих компонентов:
- Каркас. Изготавливается из пластика и легких металлических сплавов, обеспечивает жесткость протезу и защищает электронную начинку от повреждения. Каркас имеет гильзу, с помощью которой устройство надевается на остаток конечности. Для повышения эстетических качеств протезов они покрываются силиконовой или резиновой оболочкой, имитирующей кожу.
- Механика. Бионический протез имеет встроенные сервоприводы, шарниры и тяги, которые обеспечивают устройству подвижность. В искусственных ногах также применяются гидравлические, пружинные или пневматические амортизаторы, смягчающие и распределяющие ударную нагрузку при передвижении.
- Система управления. Для контроля над протезом в нем предусмотрены датчики нервных сигналов и обрабатывающий процессор, управляющий приводами. В серийных миоэлектрических моделях датчики подсоединяются к остаткам мышц культи и фиксируют изменения их биопотенциала при сокращениях. В опытных энцефалографических устройствах сенсоры закрепляются на коже головы или вживляются под нее, снимая электрические потенциалы мозга. В некоторых моделях также предусмотрены датчики обратной связи, обеспечивающие пациентам возможность испытывать проприоцептарные и тактильные ощущения.
Нейрофизиологический принцип работы бионического протеза позволяет существенно упростить управление им, а также хотя бы частично вернуть пациенту ощущение обладания полноценной конечностью. Большинство имеющихся на рынке моделей обеспечивают выполнение достаточно широкого набора действий – держать посуду и столовые приборы, писать, печатать на клавиатуре, завязывать шнурки, подниматься по лестнице и даже заниматься спортом (бегом, ездой на лыжах).
Сложно сказать, когда и кем был изготовлен первый бионический протез, однако серийно такие устройства впервые стала выпускать британская компания TouchBionics в 2007 году. Сегодня на рынке представлено несколько производителей функциональных искусственных конечностей, среди которых также стоит отметить RSL Steeper (Великобритания), Ottobock (Германия), Osseur (Исландия). Продукция этих компаний достаточно широко используется в медицине для помощи инвалидам, однако из-за небольшого спроса и малой конкуренции даже простой бионический протез стоит порядка 25 000 долларов (без учета установки и последующей реабилитации). Для решения этой проблемы в некоторых странах существуют программы поддержки, финансируемые за государственный счет. В России бионические протезы практически не производятся – среди немногих примеров отечественных серийных разработок можно указать модель «Страдивари», выпускаемую компанией Motorica.
Отдельно стоит рассказать о бионических протезах глаз, первые модели которых появляются уже сегодня и используются для помощи людям с дистрофией сетчатки. Имеющиеся на данный момент устройства (например, Argus II от компании Second Sight) представляют собой массив электродов, вживляемый в сетчатку и подключаемый к внешней камере, установленной на очках. Изображение с нее поступает на встроенный видеопроцессор, который обрабатывает сигнал и подает его на имплантат, стимулирующий оставшиеся здоровые клетки сетчатки. Этот протез позволяет частично вернуть зрение, обеспечивая восприятие очертаний крупных предметов и даже большого шрифта. Хотя использование внешней камеры и недостаточная четкость изображения существенно ограничивают возможности и удобство Argus II, он уже используется в медицинской практике, в том числе в России. Схожий принцип работы и конструкции имеют протезы Alpha IMS и PRIMA.
Будущее бионического протезирования
При очевидном прогрессе в бионическом протезировании, наблюдаемом в последние 20 лет, создание искусственных органов и конечностей сталкивается с рядом проблем:
- Несовершенство конструкции. Имеющиеся серийные и опытные модели рук и ног все еще работают все еще недостаточно свободно и точно из-за ограниченных возможностей сервоприводов. Решить эту проблему разработчики стремятся за счет технологии искусственных мышц – синтетических волокон, сокращаемых при подаче сигнала. Например, исследователи Массачусетского технологического института используют в качестве материала дешевый и доступный нейлон. По результатам исследований 2016 года, его волокна сопоставимы по прочности и эластичности биологическим мышцам, а по силе сокращений даже превосходят их.
- Ограничения в передаче сигнала. В существующих миоэлектрических и энцефалографических протезах из-за опосредованности и «зашумленности» передаваемого сигнала наблюдается небольшая, но ощутимая задержка в их работе. Это ограничивает использование протезов в тех случаях, когда важна скорость реакции – например, при управлении транспортом. Для решения проблемы предлагается имплантировать датчики непосредственно в двигательные центры коры головного мозга.
- Высокая цена. Большинство серийно выпускаемых моделей из-за сложности конструкции и производства стоят очень дорого, что ограничивает их массовое внедрение. В качестве дешевой альтернативы британский робототехник Джоэл Гибберт разработал бионическую руку, детали которой напечатаны на 3D-принтере, а в качестве контроллера использует открытую электронную платформу Arduino. Это позволило сократить стоимость устройства до 1000 долларов (при средней рыночной цене в 50-60 тысяч).
Несмотря на эти проблемы, тенденции в современном протезировании позволяют многим исследователям и футурологам прогнозировать широкое внедрение искусственных органов, конечностей и даже тел уже в ближайшие десятилетия. В частности, получившая сегодня распространение философия трансгуманизма (ярким последователем которой является знаменитый Рэй Курцвейл) декларирует появление к 50-60-м годам этого столетия протезов, по своим возможностям намного превосходящих биологические аналоги. Согласно этому течению, использование таких устройств – благо, позволяющее вывести человека на следующую ступень эволюции (постчеловечество) и преодолеть естественные ограничения природного тела. Однако здесь возникают новые вопросы не только технического, но и философского характера:
- Как общество будет реагировать на технологию аугментации? Будут ли люди с бионическими протезами восприниматься остальными как инвалиды, полноценные члены социума или социальная угроза?
- Кем будет ощущать себя сам аугментированный человек? Примет ли он свои искусственные, но более совершенные органы и конечности как благо или в нем разовьется комплекс неполноценности, отношение к себе как к суррогату человека, бездушной машине?
- Как отразится использование более совершенных и многофункциональных протезов на нашем сознании? Оно миллионы лет эволюционировало с ощущением целостности и неделимости своей телесной оболочки. Как изменятся границы личности в условиях, когда любую конечность и даже все тело можно легко заменить?
Эти и другие вопросы уже сейчас активно задаются не только в философских или научных трудах, но и массовой культуре. Тема биопротезирования и связанных с ним социальных проблем ярко выражены в серии игр Deus Ex, комиксе Transmetropolitan, романах Брюса Стерлинга, Питера Уоттса и других представителей литературы жанра «киберпанк». Такой интерес демонстрирует, что общество активно готовится к внедрению искусственных органов и тел. И вопрос состоит уже не в том, произойдет ли это, а в том, готовы ли мы принять данную технологию и использовать ее для своей пользы.
