Портал №1 в России по проблемам людей с инвалидностью

Архив:

Бриллиантовая рука от Пентагона. По заказу DARPA создан протез, который по функциональности близок к человеческим рукам

Американское Агентство передовых оборонных исследовательских проектов DARPA более десяти лет работает над проектом «прогрессивного протезирования», цель которого – создание искусственных конечностей и внутренних органов человека, не уступающих по характеристикам оригиналам. Параллельно ведется работа над созданием так называемого протеза мозга, который позволит дублировать память человека на электронном носителе.

Каждый год появляются все более современные технологичные протезы, тем не менее прогресс в этой области более века практически топчется на месте. В настоящее время человеку с искусственной рукой или ногой, как и полвека назад, довольно сложно координировать свои движения в первую очередь из-за отсутствия прогрессивной системы управления протезом. Необходимость прорыва в сфере протезирования назрела давно, и сейчас технологии позволили двинуться вперед. Главная трудность, которую предстоит преодолеть, – наладить устойчивую коммуникацию между телом человека и протезом.

Сегодня для продвижения этой технологии на первый план выходят идеи, позаимствованные из научной фантастики. Пионером в этой области становится DARPA, где подошли к этой проблеме кардинально: решили напрямую синхронизировать протезы с человеческим мозгом и нервной системой, чтобы ими можно было управлять так же, как человек двигает рукой или ногой, данной ему природой.

ИСКУССТВЕННЫЕ РУКИ НАДЕЛИЛИ ОСЯЗАНИЕМ

В DARPA сообщают, что функционирование инновационного протеза будет основано на технологии нейронных интерфейсов. Это означает, что предстоит научиться управлять моторными сигналами, которые передаются от периферических нервов к мышцам, обеспечивают тактильные ощущения и обратную связь. Электронные устройства будут имплантировать в мышцы, эти девайсы будут соединены с соответствующими датчиками на протезе. Теория такова: сигнал будет поступать через периферическую нервную систему, которая в организме отвечает за координацию движений тела, а также за получение внешних стимулов.

Дальше действие протеза будет схоже с работой руки: датчики, которые исполнят роль нервных окончаний, отправляют в головной мозг информацию о касании того или иного предмета, тот дает команду мышцам, и они совершают необходимое действие. Устройства получают сигнал, декодируют его и передают протезу, который выполняет требуемые манипуляции. Решить эту проблему должна система сенсорного интерфейса HAPTIX (Hand Proprioception and Touch Interfaces), которая разрабатывается при поддержке Министерства обороны США.

Несколько лет назад было заявлено об еще одном прорыве в создании этой технологии: было сконструировано синтетическое волокно, которое проводит нервные импульсы и не отторгается организмом. Теперь осталось совершенствовать механику, прочность соединения с конечностью и эстетичность – чтобы искусственная конечность мало отличалась от утраченной. Если этого удастся добиться, то мир наверняка шагнет в эру киборгов.

Однако ряд ученых сомневается, что удастся добиться устойчивой связи между роботизированной системой и нервной системой человека. Тем не менее работы в этом направлении продолжаются. Для этого разработана технология TMR (Targeted Muscle Reinnervation), которая будет улучшать алгоритм управления протезами рук. В настоящее время создаются главные ее составляющие – мозговые интерфейсы, которые будут испытаны в ближайшее время.

Дальше ученые хотят оживить нервные окончания, работа которых была прервана во время ампутации. С помощью специальных устройств импульсы, исходящие от них, будут усилены и направлены для управления протезом. Еще одна проблема – как вживить «периферийные интерфейсы» в человеческий организм без хирургического вмешательства. Существующие хирургические методы для таких травм – грубые и неэффективные и приводят к ухудшению функций управления.

ТЕХНОЛОГИЯ TMR ПОЗВОЛИТ УЛУЧШИТЬ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ

Фото: passofirme.wordpress.com

ПЕРВЫЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ПРОТЕЗ УЖЕ СОЗДАН

В DARPA уверяют, что более десяти лет работали над контролируемым мозгом протезом конечностей и эти усилия принесли успех. Американская служба по 

контролю за пищевыми продуктами и медикаментами (FDA) одобрила разработанный специалистами DEKA Integrated Solutions Corporation протез руки. Разработчики уверяют, что эти «передовые мехатронные конечности» первыми приблизились к функциональности настоящих человеческих рук.

Разработанный протез является системой, позволяющей осуществлять управление несколькими суставами одновременно, используя различные устройства ввода. Одним из новшеств являются инновационные датчики, закрепляемые на ноге и передающие на протез руки сигналы с помощью беспроводной связи. С батареей протез весит примерно столько же, сколько настоящая рука. В тестировании протеза приняли участие 36 человек.

В результате участники тестов научились искусственной рукой легко открывать дверь ключом, захватывать пальцами мелкие предметы, расчесывать волосы, брать яйцо, не разбивая его, и даже пользоваться зубочистками. Помимо мелких движений, роботизированная рука может выполнять и «силовые» задачи – держать молоток или дрель. Однако главного добиться не удалось – протез пока не дает обратной связи.

Поэтому разработчики заявляют, что это всего лишь первые шаги на пути создания протезов, которые в будущем станут практически неотличимы от натуральных конечностей. Главная цель проекта – чтобы инвалиды с ампутированной рукой или ногой, получив такой протез, со временем полностью забыли о дискомфорте. В DARPA уверяют, что уже в ближайшее время будет создана искусственная рука, посредством которой станет возможно получить тактильные ощущения.

Нейрофизиологи работают над тем, чтобы сигнал шел в обоих направлениях. Хотят устроить так, чтобы протез полностью контролировался мозгом и нервной системой: человек через протез будет получать обратные тактильные сигналы, они ничем не будут отличаться от ощущения подлинного физического прикосновения. Исследователи надеются заставить роботизированную руку обрести полную «чувствительность», чтобы ее обладатель мог ощутить текстуру и температуру объекта, к которому прикасается. Заявлено, что с развитием технологий по синтезированию нервно-мышечных тканей в ближайшем будущем станет вполне реальным создание бионических конечностей.

Нужно заметить, что на эту технологию возлагаются большие надежды. Сотрудникам DARPA, занятым в этом проекте, предоставляется щедрое финансирование и научная поддержка. В настоящее время эта программа переходит под контроль биотехнологического офиса DARPA. Чтобы создание такой системы стало реальностью, понадобятся серьезные технологические прорывы на стыке биологии и техники: потребуется создать миниатюрные двигатели и датчики, системы компьютерного управления, легкие, но прочные материалы.

Директор Молодежного научно-технического центра Александр Оликевич рассказал «Совершенно секретно», что DARPA неслучайно занимается этим проектом. По его мнению, если технология будет реализована, будет совершен мощный технологический прорыв.

«Если такую технологию применят в военной сфере, это будет означать, что солдаты будущего получат возможности киборга, как в фантастических фильмах, а их возможности на поле боя значительно повысятся. Но для этого придется совершить множество технологических прорывов. Главная проблема на сегодняшний день в том, что мозг человека еще недостаточно изучен для создания таких систем. Есть также проблема в энергообеспечении: емкость батарей, которые сейчас имеются в распоряжении ученых, не дает достаточно мощности для работы даже существующих менее технологичных протезов. Возможно, будет использована атомная батарея, которую сегодня также разрабатывают.

Показательно, что на изучение этой технологии выделяются большие средства, правда, пока только за рубежом. В России ученые также инициируют исследования природных сетей человека и животных. Попытки создания интеллектуальных протезов ведутся уже несколько десятилетий, достигнуты определенные успехи. 

Например, индустрия электронных роботизированных конечностей человека достаточно развита и продолжает идти вперед. Некоторые протезы уже вышли в серию. Думаю, в конце концов получится соединять в одно целое роботизированные конечности и тело человека. Скорее всего, эта технология в будущем получит серьезное развитие. Человек сможет создать искусственную конечность с такой же степенью свободы и проработанностью элементов, как создает природа».

РАНЕНЫЕ СОЛДАТЫ СМОГУТ ОСТАТЬСЯ В СТРОЮ

Нужно отметить, что цели программы DARPA весьма амбициозные. Одна из основных областей, где будет задействована технология, – нивелирование физических недостатков. Сейчас проводятся эксперименты с добровольцами, у которых развился паралич всех четырех конечностей и которые согласились на операцию на коре головного мозга. Речь идет о размещении чипа, который контролирует нейроны моторной зоны и перенаправляет их для управления новыми, крайне замысловатыми протезными роборуками. Сообщается, что данные исследования «улучшат потенциал информации об управлении конечностями».

В случае успеха это позволит существенно лучше понимать человеческий мозг и нервную систему, понять механизмы их взаимодействия с окружающим миром. Сегодня даже трудно осознать, к чему это может привести. Ученые утверждают, что если удастся совершить научный прорыв, то это приведет к возможности создания искусственных глаз и даже внутренних жизненно важных органов.

Однако есть задумки применения данной технологии в военном секторе, и это настораживает. В описании программы «прогрессивного протезирования» говорится, что исследования проводятся для совершенствования функциональности протезов верхних конечностей, чтобы военнослужащие, потерявшие руки, могли вернуться к службе. В DARPA заявляют: в будущем в США в принципе не будет инвалидов-ампутантов и практически все солдаты будут возвращаться в строй с роботизированными конечностями, возможности которых будут даже выше, чем у тех, которых они лишились.

ПРОЕКТ RAM ПРЕДУСМАТРИВАЕТ ЧАСТИЧНОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ МОЗГА

Фото: engineering.ucla.edu

КОНТУЖЕНЫМ ВОЕННЫМ ПОСТАВЯТ ПРОТЕЗ ПАМЯТИ

Отдельная программа посвящена восстановлению памяти – проект RAM (расшифровывается как Restoring Active Memory – восстановление активной памяти). По данным военных медиков, почти 300 тысяч американских солдат получили черепно-мозговые травмы разной сложности, которые привели к ухудшению или полной дисфункции рабочей памяти. Несмотря на масштаб проблемы, никаких эффективных методов лечения сейчас не существует.

Американские ученые попытаются ее решить с помощью так называемых протезов памяти. Имплантаты, восстанавливающие память, в настоящее время разрабатывают два коллектива исследователей. Для этих целей два американских научно-исследовательских университета получили финансирование в размере порядка 40 миллионов долларов.

Во время первого этапа исследователи намерены построить компьютерные модели того, как нейроны кодируют воспоминания о событиях, людях и местах. Также ученые попытаются разработать новые способы электростимуляции участков мозга, отвечающих за память. В качестве добровольцев к участию в исследованиях привлечены люди, страдающие болезнями с симптомами кратковременной потери памяти, в мозг которых уже были вживлены электроды.

Исследователи намерены выстроить компьютерную модель всей энторинальной системы (часть мозга, отвечающая за пространственную ориентацию) и уже затем на ее основе сконструировать нейромодулирующий прибор. Ожидается, что подобное устройство сможет, минуя поврежденные клетки, переносить электрические сигналы от одних здоровых нейронов к другим.

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧИТ ТОЛЬКО ГРАЖДАНСКОЕ  ПРИМЕНЕНИЕ

Еще одна инициатива по частичному протезированию мозга DARPA направлена на избавление от посттравматического стрессового расстройства, также крайне распространенного среди солдат, прошедших боевые действия. Современные подходы – лекарства и психотерапия – помогают только смягчить наиболее серьезные симптомы этого тяжелого психического нарушения.

Но даже после ударного лечения антидепрессантами больные впадают в различные моторные состояния, страдают мигренями, порой у них происходят вспышки агрессии, и нередко все заканчивается суицидами. Военные врачи надеются полностью победить «вьетнамский синдром» с помощью имплантации в мозг нейростимулятора, который поможет в нужный момент снимать психологическое напряжение.

Заявляется, что в рамках нейроисследований DARPA консультируется с экспертной комиссией по этическим, правовым и социальным последствиям. Но некоторые эксперты не доверяют этим сообщениям. У них возникают подозрения, что эксперименты с человеческим мозгом заходят гораздо дальше, чем сегодня позволяют этические нормы. Например, некоторые секретные программы будут направлены не только на реабилитацию, но и на модификацию мозга здоровых бойцов. В частности, на создание механизма «закачивания» данных в мозг человеку. Подозрения усиливаются после заявлений DARPA о том, что одна из целей эксперимента – выяснить, как мозг взаимодействует со сложными системами.

Генеральный директор специализированного конструкторского бюро W.E.A.S. Robotics Илья Чех рассказал «Совершенно секретно», что большинство технологий, которые применяются в проекте DARPA, уже испытаны и доказали свою работоспособность.

«Однако нужно понимать, что механизм управления искусственной конечностью с помощью сознания на сегодняшний день не создан. По большому счету американцы выдают желаемое за действительное, а на самом же деле они создали только систему управления протезом с помощью наружных нейродатчиков. Скорее всего, следующий шаг – вживление чипов в моторную кору головного мозга. Такие эксперименты успешно проходят в Америке и в Европе.

Хочу особо отметить, что сейчас самыми продвинутыми протезами считаются устройства с внешними электродами. Их главная особенность – двухканальная система управления с перебором фантомных жестов. Так вот, для реализации этой технологии потребовалось почти 50 лет – с момента разработки до выхода на массовый рынок. 

Учитывая, что технология, о которой сегодня заявляет DARPA, гораздо сложнее, не исключено, что история ее внедрения будет еще более продолжительной. Так что с точки зрения реализуемости, например коммерческой, эта технология появится даже не в ближайшие нескольких десятилетий.

Ей предстоит пройти многолетние клинические испытания, затем первые пользователи подтвердят ее безопасность. Не сложно предсказать, что люди будут бояться сразу пользоваться этой технологией, поскольку она предусматривает хирургическое вмешательство и вживление в тело инородных предметов. Сначала будут тестовые пациенты, которые согласятся на первые испытания. Но можно с уверенностью сказать, что в целом все это реализуемо.

Несмотря на то что заказчиком этой технологии является агентство Министерства обороны США DARPA, уверен, что «умные протезы», учитывая специфику этой темы, получат в первую очередь гражданское применение. Единственное военное применение – это протезирование для военных, пострадавших в боевых действиях. Выпускать на поле боя с такими протезами их в ближайшее время, конечно, никто не будет, поскольку существующие технологии не позволяют настолько точно разработать все движения протезов. К тому же весьма сложно предугадать поведение искусственной конечности в экстремальной боевой обстановке».

Александр Круглов

ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ