Бионические протезы ног выносливее “оригинала” (3 фото + видео). Бионические протезы ног
Бионические протезы ног выносливее “оригинала” (3 фото + видео)
Целью безногого профессора Хью Хэрра является желание создать протезы, превосходящие по функционалу настоящие ноги.
Несколько лет назад, опаздывая на очередную встречу с партнерами, Хью Хэрр, оставив свою Honda Accord на стоянке для инвалидов, буквально выскочил из машины и припустился бегом по тротуару, однако буквально через секунду его остановил полицейский. Хэрра попросили представить документы, разрешающие парковку в данном месте. Профессор указал на ветровое стекло своего автомобиля, на обратной стороне которого было приклеено удостоверение инвалида. Полицейский же смерил его долгим взглядом и сухо спросил: «А в чем состоит ваш физический недостаток?»
Высокий и стройный брюнет Хью Хэрр сделал шаг в сторону полицейского и спокойным тоном ответил: «У меня [короткое ругательство] нет ног».
В 17 лет Хэрр участвовал в альпинистском подъеме, но, к сожалению, восхождение оказалось неудачным: в результате обморожения ему пришлось ампутировать обе голени. Сегодня Хэрр возглавляет группу механотроники при лаборатории МТИ (Массачусетский технологический институт), основное направление которой – протезирование. Сегодня ему 45, и на протяжении 27 лет его главной целью по-прежнему остается создание искусственных нижних конечностей, которые будут лучше настоящих. Любимым «подопытным кроликом» для Хэрра является он сам. Как говорит ученый, «нет людей с ограниченными возможностями, есть лишь ограниченные возможности технологий».
В арсенале Хэрра есть ноги на все случаи жизни. В повседневной жизни он пользуется протезами со спрятанными в туфлях плоскими пружинами, сделанными из углеродного волокна. Когда выходит на утренние пробежки, то меняет их на длинные карбоновые дуги. Собираясь в горный поход, Хэрр надевает специальную, сконструированную им самим пару специальных «ног». Это длинные, сделанные из алюминия с небольшой резиновой стопой, протезы. Они напоминают металлические когти, которые заменяют альпинистские кошки. Директор группы механотроники считает отсутствие у него настоящих ног большим преимуществом, а не недостатком, так как вместо них он может вставить все, что угодно. Единственным ограничением являются лишь законы физики и фантазия человека.
Фантазия самого Хэрра последние несколько лет работает, так сказать, сверхурочно. Компания iWalk, которую ученый основал в 2006 году, рассчитывает в скором будущем запустить массовое производство протезов PowerFoot One. Это последняя и самая совершенная модель роботизированного протеза голеностопа, предполагаемая стоимость $10 000.
PowerFoot способен автоматически регулировать положение стопы, благодаря мощному оснащению, которое состоит из трех встроенных микропроцессоров и 12 сенсоров. Процессоры и сенсоры замеряют инерцию, мощность, а также положение стопы, регулируют угол наклона стопы, уровень амортизации и жесткость протеза. Самое поразительное, что система пересчитывает показатели 500 раз в секунду! Таким образом, сенсорный контур обратной связи, подобной той, что используется нервной системой, и богатая библиотека образцов походки позволяет PowerFoot легко подстраиваться к ходьбе по разной поверхности. Также наклоняются мыски во время спуска по лестничным ступенькам, и еще протез может непринужденно покачиваться, когда человек сидит, закинув ногу на ногу.
Данная модель протеза единственная в своем роде, которая абсолютно не зависит от силы человека, носящего его. Протез оснащен системой пассивных пружин, а также 225-граммовой перезаряжаемой литий-фосфат-железной батареей. Материальный состав протеза включает алюминий, титан, пластик и углеродное волокно. Вся система обеспечивает тот же объем силы отталкивания от земли, что и настоящие мышцы и сухожилия человека — 20 Дж. Еще одной функцией PowerFoot является автоматическая подстройка мощности под скорость ходьбы, кроме того имеется ручная настройка изменения мощности протеза. Работает ручная настройка через мобильный телефон, оснащенный Bluetooth-гарнитурой. Один из участников-инвалидов, принимавших участие в проверке PowerFoot, признался Хэрру, что его здоровая нога намного чаще устает, чем та, что с протезом. На что ученый ответил: «Впервые не человек движет протезом, а протез передвигает своего носителя».
Среди испытуемых принимает участие и сам Хэрр. После необходимых доработок около 1000 экземпляров отправят в Министерство обороны США – для солдат, лишившихся ног в ходе военных действий в Ираке и Афганистане. Спонсорами проекта по протезированию в числе других являются армия США и ведомство по делам ветеранов.
Да, деньги играют большую роль в жизни, однако Хью Хэрром движет и моральный долг. В 1982 году, в том самом неудачном восхождении на гору Вашингтон, погиб Альберт Доу, член спасательной команды. С тех пор Хэрр чувствует себя обязанным использовать свои возможности и интеллект, чтобы помогать людям. Он воспринимает это как завещание, которое оставил ему Альберт Доу.
Спустя три месяца после ампутации Хэрр, обладая невероятной силой духа, совершил восхождение на гору с обычными протезами. А спустя еще три месяца он в своем гараже уже конструировал новые протезы, используя на практике все знания, полученные в школе Ланкастера с профессионально-техническим уклоном.
Если до несчастного случая Хэрр собирался посвятить себя рабочей профессии, то после он стал целеустремленным до одержимости студентом. Получив диплом инженера-механика в МТИ, он заслужил докторскую степень Гарварда в области биофизики. Однажды, когда во время работы над диссертацией руку Хэрра поразил синдром запястного канала, не позволяющий писать и нормально управлять рукой, он прикрепил к оправе солнцезащитных очков карандаш и продолжил работу… головой, причем в самом прямом смысле. «Он работает до изнеможения, до полного истощения физических сил, — говорит Роджер Крам, профессор Университета штата Колорадо в Боулдере, бывший коллега Хэрра по Гарварду. — Каждый его шаг продиктован желанием усовершенствовать протезы».
Понятие «инвалидность» не должно быть клеймом, и Хэрр надеется, что люди переосмыслят свое отношение к этому. Херр был среди ученых, которые подтвердили, что южноафриканский бегун-спринтер Оскар Писториус, являясь инвалидом (ампутированы обе голени), должен иметь право участия в Олимпийских играх. Как оказалось, «спортивная» дискриминация коснулась и самого Хэрра. Многие сомневаются в том, что он стал вторым человеком в мире, который смог покорить без вспомогательного снаряжения известную для всех альпинистов скалу близ горы Индекс (в штате Вашингтон), при восхождении на которую он использовал специальные альпинистские протезы. «Если человек с физическим недостатком просто принимает участие в состязаниях, то им восхищаются, — говорит Хэрр. — Однако стоит ему победить, он тут же становится мошенником».
Кроме того, Хэрр верит, что через 10–20 лет атлеты-параолимпийцы будут выступать на равных и даже лучше, чем спортсмены-олимпийцы. Как считает Хэрр, ограничение возможностей скоро станет преимуществом; пока к этому делаются небольшие, но верные шаги, и среди инвалидов сегодня уже есть «летчики-испытатели» технологий. Результатом работ Херра в итоге будет искоренение инвалидности, а также размывание границ между человеком и техникой, что станет величайшим событием XXI века.
Другие статьи:
nlo-mir.ru
история, принцип работы, современные модели
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.
robo-sapiens.ru
Современные бионические протезы ног | Москва
Бионические протезы позволили расширить возможности людей с инвалидностью. По своим функциям они максимально восполняют движения человеческой ноги, обеспечивают безопасность во всех фазах шага, естественность и гармоничность движений, дают пациенту ощущение уверенности на любой поверхности.
В основе современного протеза лежит микропроцессор. Он связан с большим количеством датчиков, расположенных по всему протезу. Сенсоры собирают информацию о наклоне поверхности и рельефе дороги, нагрузке на протез. Благодаря им центральный микропроцессор получает и обрабатывает всю необходимую информацию, в соответствии с которой и работает коленный модуль. Интеллектуальное управление протеза позволяет пользователю передвигаться в собственном удобном темпе.
Каркас протеза изготавливается из высокопрочных материалов, благодаря чему протез обладает повышенной надежностью и долговечностью. Питание всей системы осуществляет встроенная батарея, заряда которой хватает на период от трех до семи дней. Для управления протезом сегодня разрабатывают мобильные приложения. Необходимые функции работы можно индивидуально настраивать через смартфон или ПК. Для коммуникации с дистанционным управлением протезы имеют встроенный модуль Bluetooth.
История создания современных протезов находится в самом начале своего пути. Первый коленный модуль был разработан немецкой компанией Otto Bock и представлен на всемирной конференции по ортопедии в Нюрнберге в 1997 году. В России этот протез впервые пациенту установили в 2000 году. Пользователи могут ходить как в медленном, так и в быстром темпе, кататься на велосипеде.
В 2006 году в продаже появился коленный модуль Rhee Knee, который стал итогом совместной работы исландской компании Ossur и Массачусетского технологического института. Сложная сеть датчиков, интегрированная в модуль, регистрирует изменения и позволяет искусственной ноге «на ходу» вносить коррективы в свою работу. Proprio Foot от компании Ossur стал первым в мире интеллектуальным протезом ступни, который способен «думать и действовать сам». На лестнице стопа автоматически подстраивается под движения человека.
Следующим важнейшим шагом в развитие современного протезирования стало объединение электронного коленного модуля и электронной стопы в одну систему. Появился протез Symbionic Leg, который представляет связку коленного модуля Rheo Knee и стопы Proprio Foot.
В 2015 году компания Otto Bock выпустила на российский рынок водонепроницаемый бионический протез бедра – Genium X3. С этим протезом человек может погружаться на глубину до трех метров в течение нескольких часов и заниматься любыми водными видами спорта.
История развития бионических протезов только началась, и впереди нас ждет открытие поистине неограниченных возможностей для людей с инвалидностью.
www.orto-kosmos.ru
Современное протезирование | Журнал Популярная Механика
Искусственные конечности, управляемые искусственным интеллектом, способны самостоятельно оценивать окружающую обстановку и предугадывать намерения своего хозяина. Легко представить себе день, когда построенные на их основе механизмы смогут пригодиться и абсолютно здоровым людям.
Эрик Софдж
18 июня 2012 19:30
По земле пока ходит не так уж много субъектов, которых можно было бы назвать настоящими биомеханическими гибридами, так что встреча с фермером Дэвидом для любого станет сюрпризом. Рыжий, пышущий здоровьем и неугасимым весельем здоровяк встречает нас на посыпанном гравием проезде, ведущем к его мастерской. 30-летний механик без колебаний спрыгивает со своего огромного трактора, пробирается среди вездеходов и раскиданных повсюду тракторных запчастей. Он хватается то за одно, то за другое дело, даже не задумываясь, что в некоторой степени он уже не человек, а машина.
Потерявший ногу Дэвид Джонсон работает инженером в компании Ossur. Он испытывает протез Power Knee и у него есть все возможности для самостоятельной настройки протезной электроники и для испытания ее алгоритмов в реальных условиях.
Ломай — не стесняйся
Дэвид носит хитроумный протез левой ноги, которую потерял в автомобильной аварии. Сегодня протез должны заменить. Вот почему на ферму, где живет и работает Дэвид Ингвасон, приехали инженеры из компании Еssur. Штаб-квартира этого крупного производителя протезов расположена в Рейкьявике (Исландия), в часе езды от фермы Дэвида. Обычный исландский крестьянин, он оказался в избранном кругу инвалидов, которых обеспечили протезом марки Symbionic Leg. Это интегральная бионическая конструкция, включающая в себя искусственные колено, лодыжку и стопу.
Свою искусственную ногу Ингвасон регулярно ломает, хозяйничая на ферме, разъезжая по окружающим пустошам, поросшим высокой травой, лазая по затянутым мхом вулканическим плоскогорьям. Приводы забиваются глиной, механика стонет под непрерывными нагрузками, пока технический шедевр стоимостью больше иного седана не превращается в мертвую железяку, набитую электроникой. Как объясняет Магнус Оддсон, отвечающий за разработку новой техники в компании Еssur, при любых осложнениях от Ингвасона требуется всего лишь позвонить, и сотрудники компании тут же привезут ему новую ногу, причем совершенно бесплатно. Ведь для фирмы все повреждения, которые испытатель наносит протезу в результате крайне небрежного обращения, — источник весьма ценной информации.
Сегодня мы мы стоим на пороге реализации давних фантазий о «механическом силаче», то есть о настоящих бионических усилителях человеческих мышц. Достаточно добавить к технологиям «умных протезов» и экзоскелетов подходящий нейро-машинный интерфейс, который не будет связан с вторжением в мозг.
Когда ноге не нужен мозг
Прошлой осенью компания Еssur выпустила в продажу модель Symbionic — первую в мире искусственную ногу с электронным управлением, доработанную до уровня массового производства. Это выдающаяся веха в истории разработки протезов. Нога Ингвасона выступает, по сути, в роли самостоятельного робота, напичканного датчиками, которые исследуют окружающую среду и угадывают намерения хозяина. Специальные процессоры вычисляют, на какой угол должна выдвинуться при шаге искусственная нога. Та же идеология закладывается в конструкции искусственных рук, когда сложнейшие алгоритмы помогают определить, с каким усилием нужно схватить пластиковую бутылку с водой или как спружинить, упершись в пол при падении. Протезы, чье действие основано на самостоятельном видении и слухе, полностью обходятся без поврежденных органов чувств. Все эти бионические системы способны активно подстраиваться под характер своих владельцев. Служа человеческому телу, они восстанавливают его функции.
Система Modular Prosthetic Limb выглядит просто как хороший бионический протез. На самом же деле это целый рой из автономных роботов. Каждый съемный сегмент с собственным электроприводом содержит вдобавок и свой процессор, который согласует свою работу с остальными элементами.
Возьмем один из характерных случаев, когда человека может подвести протез традиционной конструкции. Обычно механическое колено фиксируется намертво, когда пятка касается земли. Таким образом, протез поддерживает вес человеческого тела. Когда вес переходит на носок, колено разблокируется. Но если носок касается земли слишком рано, искусственная нога может самопроизвольно сложиться под весом хозяина. Протез типа Symbionic Leg обмануть не просто. Датчики усилия и акселерометры постоянно отслеживают положение ноги по отношению к ее владельцу и к окружающим предметам. Встроенные процессоры анализируют все входные данные с частотой 1000 замеров в секунду и оперативно принимают оптимальные решения — когда приложить усилие, а когда его снять. Для того чтобы фиксировать или отпускать коленный сустав, здесь нужно нечто большее, чем просто чувствительное касание земли носком ступни.
www.popmech.ru
Испытание бионической ноги - Старый Ворчун
Американец Зак Воутер (Zac Vawter) испытал новый бионический ножной протез – бионическую ногу (Bionic Leg). Испытание прошло экстремальным способом. 31-летний мужчина, который потерял ногу в аварии, поднялся по лестнице на 103-й этаж небоскреба Уиллис-тауэр, что расположен в Чикаго.
Зак Воутер – программист из Сиэтла, штат Вашингтон. В 2009 году он потерял ногу в аварии на мотоцикле. Однако его ногу врачи ампутировали, сохранив нервы, идущие к голени. Таким образом, Зак получил возможность в будущем использовать бионические протезы благодаря методике целевой мышечной реиннервации (Targeted Muscle Reinnervation – TMR). Суть этой методики заключается в том, что управление протезом ноги осуществляется за счет сохранных нервных волокон, что позволяет сделать протез более «послушным» и функциональным.
Зак Воутер был выбран первым, на ком решили испытать новую разработку американских ученых – бионическую ногу (Bionic Leg). Уникальный протез был разработан Институтом реабилитации Чикаго (Rehabilitation Institute of Chicago – RIC).
Принцип работы бионической ноги (Bionic Leg) заключается в следующем: встроенный микрокомпьютер приспособления получает данные о мышечных сокращениях от 11 электродов, закрепленных на бедре, а также импульсы от нервных волокон, которые сохранили способность передавать сигналы в нижнюю часть конечности.
Протез «бионическая нога» может «предугадывать» намерения человека и синхронизировать движения механических суставов. Таким, образом, пользователь не таскает протез за счет сохраненных мышц, а управляет им так же, как и здоровой ногой.
Протез, стоимостью $8 млн. приводится в движение двумя двигателями, которые заменяют коленный и голеностопный суставы.
Для того чтобы совершить восхождение на смотровую площадку небоскрёба Уиллис-тауэр, Заку потребовались долгие тренировки, в ходе которых учёные настроили протез и отрегулировали движения ног Воутера.
«Самое большое преимущество этого устройства в том, что я могу подниматься по лестнице ступенька за ступенькой, как это делают остальные люди, — радуется элементарным для здорового человека вещам Воутер. – Обычно я вынужден сначала делать шаг здоровой ногой, а потом подтягивать протез. С бионической ногой я поднимаюсь, как раньше, и даже могу переступать через одну ступеньку».
Благодаря протезу Зак Воутер менее чем за час успешно поднялся на 103-й этаж одного из самых высоких зданий мира.
Разработка Bionic Leg является плодом совместных усилий специалистов Института реабилитации в Чикаго, Университета Вандербильта, Университета Нью-Брансуика, Массачусетского технологического института, Университета Род-Айленда.
Прототип бионического протеза, с помощью которого Зак Воутер поднялся на 103 этаж Уиллис-Тауэр, был разработан командой ученых из Университета Вандербильта под руководством Майкла Гольдфарба.
Эксперты, не принимающие участия в проекте по созданию протеза, признают, что данная разработка – это огромный шаг вперед в развитии ортопедии и протезирования.
«Большинство современных протезов по сути являются немного усовершенствованными вариантами деревянной ноги», – говорит Дэниел Феррис из Университета Мичигана», – «да, многие из них содержат различные механические и моторизованные компоненты, но не реагируют на нервные импульсы, генерируемые мозгом человека, т.е. не подчиняются воле человека».
Несмотря на успешные испытания, до поступления новых бионических протезов в продажу пройдёт ещё несколько лет.
Леви Харгроув из Реабилитационного Института Чикаго: «Было очень непросто угнаться за ним. В конце с меня буквально градом лился пот, а каждый новый шаг давался с таким трудом, что я едва переводил дыхание».
Президент и исполнительный директор Реабилитационного Института Чикаго Джоан Смит: «Нога обошлась ее владельцу в несколько миллионов долларов. Когда у меня спрашивают: «Это, случайно, не тот человек, который «стоит» 6 миллионов долларов», я отвечаю: «Нет, он стоит гораздо больше (о Заке Воутере)».
mrvorchun.livejournal.com
| В ближайшем будущем у состоятельных людей появится шанс стать владельцами высокотехнологических протезов ног, которые помогут им, в большей степени, заменить ампутированные конечности. На данный момент, в Чикаго, проводится испытание опытного образца бионического протеза ног. Основным преимуществом протеза является то, что он управляется мозгом напрямую. Подобные бионические протезы, которые разработаны для верхних конечностей, уже существуют, что касается нижних конечностей, все намного сложнее. Чтобы владелец протеза мог вставать и ходить, а устройство при этом было компактным и легким, необходимо чтобы моторы, приводящие его в движение, могли выдерживать и справляться с большими нагрузками. Проблема безопасности для разработчиков является одним из ключевых аспектов, и ей уделяется много внимание. Движение протеза управляется при помощи ПО на основании сигналов, поступающих от головного мозга. Сбои в роботе могут привести к опасным последствиям - падении владельца и травмам.  В испытаниях протеза исследователям помогает Зак Заутер, он потерял ногу после аварии на мотоцикле. Ранее ему приходилось носить механический протез, который, признает он, коренным образом отличается от бионического. Когда он поднимался по лестнице, механический протез приходилось подтягивать, вслед за здоровой ногой, сейчас, при помощи бионического протеза, стало возможно чередовать шаги левой и правой. При ходьбе по наклону, ходьба стала намного естественнее. В обыденной жизни Заутер пользуется современным механическим протезом. Есть и другие, роботизированные протезы, оснащенные процессором, двигателями и датчиками. Датчики отслеживают силу, действующую на протез, и положение колена. Одним из недостатком роботизированных протезов является то, что в сидячем положении нога не может перемещаться без помощи рук. Хотя они и позволяют ходить, но спускаться или подниматься по лестнице не очень неудобно.  Бионическая конечность контролируются при помощи мозговых сигналов, и является устройством намного совершеннее своих предшественников. Кроме датчиков, реагирующих на механические нагрузки, она имеет электроды, которые, находясь в контакте с кожей культи, принимают нервные импульсы, отвечающие за сокращение мышц. Для определения, что именно Заутер собирается сделать, сигналы, вместе с информацией, которая поступает от датчиков, обрабатывает и интерпретирует программное обеспечение. На данном этапе создатели пытаются сделать протез тихим и легким, работают над усовершенствованием ПО. Существует большая вероятность того, что буквально через 3-5 лет коммерческие образцы появляться на рынке, но стоимость остается загадкой (цена протезов бионических рук на рынке разная от $20 до $120 тысяч). Бионический протез ноги, управляемый мозгомТематическое видео |
www.robotblog.ru
Бионические протезы | Журнал Популярная Механика
Для легендарного джедая Люка Скайвокера потеря руки в поединке с Дартом Вейдером оставалась трагедией лишь в течение пяти минут: в следующей же сцене он обзавелся весьма совершенным протезом. В реальности о подобном можно пока только мечтать, но ученые работают над тем, чтобы это стало реальностью.
До недавнего времени протезы прикреплялись к человеческому телу механически и не имели никакой связи с нервной системой. Они могли сгибаться в своих железных шарнирах-суставах, но для выполнения каждого движения владельцу нужно было тем или иным образом регулировать поведение своего протеза, вручную обеспечивая обратную связь. Таким образом человек сигнализировал своей ноге, что впереди лужа и ее нужно обойти, а руке — что нужно аккуратно взять яйцо и приготовить яичницу или, наоборот, крепко зажать в руке инструмент. Чтобы научить человека управлять новой конечностью таким образом, требовалось долгое время, да и набор команд был довольно ограниченным, поэтому мелкая моторика оставляла желать лучшего.
Но ученые, вдохновленные воображением писателей-фантастов, смогли сделать невероятное — присоединить механическую руку к человеческой нервной системе.
Мнение эксперта
Тимур Бергалиев, заведующий лабораторией прикладных кибернетических систем Московского физико-технического института, руководитель проекта GalvaniBionix: «Для управления протезами мы разрабатываем технологию, которая подстраивается под индивидуальность человека. На культе мы размещаем не одну пару электродов, как это обычно делается, а несколько. Чем больше электродов мы используем, тем большую выборку сигналов для анализа получим. Да, таким образом мы сильно усложняем работу компьютера, поскольку процессору сложнее анализировать множество сигналов. Но зато значительно упрощается жизнь пациента».
На перехват
Когда человеку без руки хочется пошевелить пальцем, мозг генерирует соответствующий сигнал, который идет по нервам, ведущим к мышцам конечности. Но, поскольку рука отсутствует, сигнал уходит «в пустоту». Но что, если где-то по пути «перехватить» нервные импульсы и на этой основе после анализа и обработки данных сформировать команды управления роботизированной рукой? Именно по этому пути идут многочисленные научные группы, стремясь разработать протезы, считывающие нервные сигналы и преобразующие их в движения.
В американских Хьюстонском университете и Университете Райса велись эксперименты со снятием моторных нервных сигналов методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) с помощью электродов на коже головы. Сложность в том, что ЭЭГ — это набор большого количества разных сигналов, и задача выделить среди них те, которые управляют движением конечности, сродни поискам иголки в стоге сена.
Исследователи из Технического университета Чалмерса в Гетеборге (Швеция) совместно с коллегами из консорциума NEBIAS (проект нескольких европейских университетов) пошли другим путем. Вместо того чтобы располагать электроды на поверхности кожи, где полезный сигнал сильно зашумлен, ученые попытались уменьшить влияние помех, вшивая электроды под кожу. Но физиология каждого человека индивидуальна, и нельзя заранее сказать, где именно следует расположить электроды для максимального соотношения «сигнал-шум».
Самообучение роботов
В настоящее время самым перспективным методом управления бионическими протезами считается считывание электрических потенциалов с мышц культи — электромиография (ЭМГ). Такие высокотехнологические протезы уже вышли за пределы лабораторий и производятся серийно. Однако научить пациента правильно управлять протезом — все еще сложная проблема.
Электрические руки Протезирование начиналось с чисто косметических (пассивных) протезов, предназначенных сугубо для воссоздания естественного внешнего вида утерянных конечностей. Однако достижения технологии позволили разработать управляемые различными методами протезы. Тяговое управление использует механические тяги для передачи движения протезу. Электромиографическое управление основано на считывании биоэлектрических потенциалов, возникающих при сокращении мышц на уцелевшей части руки. Электроэнцефалографическое управление использует считывание электрических потенциалов в мозгу посредством электроэнцефалографии (ЭЭГ). Сигналы с датчиков, размещенных на поверхности кожи головы, декодируются компьютером и преобразуются в команды, управляющие протезом. Управление с помощью электронных имплантатов — вживленных в кору головного мозга электродов, с помощью которых регистрируется активность корковых нейронов.
В лаборатории прикладных кибернетических систем Московского физико-технического института пытаются перевернуть эту проблему с головы на ноги, то есть «обучить» протез правильно понимать команды человеческого мозга. Команда GalvaniBionix, состоящая из студентов и аспирантов МФТИ во главе с заведующим лабораторией Тимуром Бергалиевым использует для считывания электрических потенциалов с мышц не одну пару электродов, а множество. Такой подход позволяет добиться значительного повышения уровня полезного сигнала и реализовать алгоритмы «самообучения». Каждая комбинация сигналов, пришедшая с разных электродов, соответствует определенному действию руки, а задача в том, чтобы составить библиотеку соответствий, к которой будет обращаться система при получении нового набора импульсов. «Программное обеспечение учится правильно распознавать команды мозга, подстраиваясь под конкретного человека, — объясняет Бергалиев. — Нам удалось продемонстрировать работоспособность прототипа системы: человек с ампутированной конечностью с помощью «мышечных сигналов» мог перемещать курсор по экрану. В дальнейшем мы планируем использовать алгоритмы машинного обучения для анализа частоты регистрации различных комбинаций сигналов и с помощью этих данных улучшить распознавание».
Статья «По мановению мысли» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2016).www.popmech.ru
