Изготовление бионических протезов
Бионические протезы — это шанс для людей, которые по разным причинам лишились конечностей, жить полноценной жизнью. Их делают на основе новейших технологий, поэтому бионические протезы со временем всё больше приближаются к функционалу здоровой конечности.
Вообще бионика — это наука, которая переносит принципы устройства живых организмов на технические изобретения. То есть, человек использует задумки природы для своих разработок. Как устроены бионические протезы, кто занимается их изготовлением, как они вообще появились в мире — об этом и расскажет статья.
История создания бионических протезов
Перед тем как появились бионические протезы современного образца, человечество уже пыталось изобретать подобные устройства. Например, известен железный протез 16 века, которым пользовался легендарный рыцарь Готфрид фон Берлихинген. Некоторые пальцы на нем могли двигаться благодаря кнопке с тыла ладони — большой был неподвижен, а остальные осуществляли попарное движение. Каждую пару было возможно закрепить в четырёх разных позициях, поэтому рыцарь вполне неплохо управлялся с предметами.
Известны и британские протезы 18-19 века, они были механическими, но имели большое количество суставных соединений, а значит и более широкий функционал. В свое время такие протезы были серьезным прорывом. По виду они по возможности приближались к естественным конечностям, также была тенденция украшать протезы чеканкой или резьбой. Что касается принципа работы, протезы 18-19 века действовали при помощи жёстких тяг и гибких тросиков.
В XX веке по-прежнему были распространены тяговые протезы, однако материалы, из которых их делали, стали более прогрессивными. Начали широко использовать пластик вместо стали и древесины, что значительно уменьшило вес изделий, сделало их более комфортными для носки. Пользователи протезов перестали испытывать неравномерную нагрузку на опорно-двигательный аппарат. А ещё протезы из пластика выглядели куда более реалистично, чем деревянные и стальные, а значит, адаптация к ним была морально более легкой.
Единственным и очень важным недостатком изобретений тех веков была их малая функциональность. Арсенал движений их был ограничен, а те, что могли себе позволить пользователи протезов, были достаточно неточными. Ситуация стала меняться только в конце XX века, когда началось активное развитие микроэлектроники, нейрофизиологии и медицины. И сегодня наука постепенно пришла к бионическим протезам, сложнейшим электронно-механическим устройствам, которые управляются при помощи нервных импульсов.
Точной даты, когда вышло первое бионическое устройство, в истории не зафиксировано, но в массовое производство такие протезы поступили в 2007 году в Британии. Сегодня они производятся в разных странах мира, включая Германию и Исландию, в России же такого производства практически нет. Однако отечественные разработки всё же имеются. Надо отметить, что производятся протезы не только конечностей, но и глаз, внутреннего уха.
Виды бионических протезов
Бионические протезы разнообразны и выполняют различные функции в зависимости от потребностей пациента и заменяемого органа или конечности. Вот некоторые из типов бионических протезов по выполняемым функциям:
- Двигательные протезы. Бионические протезы конечностей, которые позволяют пациентам ходить, бегать, вести активный образ жизни.
- Роботизированные протезы рук, которые позволяют пациентам выполнять разнообразные движения, включая захват и удержание предметов.
- Бионические протезы, которые могут ощущать прикосновения, температуру и другие тактильные сигналы, что позволяет пациентам более естественно взаимодействовать с окружающим миром. Такая технология уже существует, но пока не вышла в массовое производство.
- Протезы для восстановления зрения и слуха. Бионические протезы слуха позволяют восстановить слух людям с глухотой на уровне внутреннего уха, а бионические протезы глаза восстанавливают или улучшают зрение у пациентов с определенными видами слепоты.
- Протезы для улучшения производительности — например, разработанные специально для спортсменов или рабочих. Такие биопротезы повышают эффективность выполняемых задач и снижают риск травм.
Что касается технологии работы, большинство бионических протезов в настоящее время миоэлектрические. Они используют электрические сигналы, которые возникают при сокращении мышц пациента. Когда мышцы сокращаются, они производят импульсы, которые можно зарегистрировать с помощью электродов, размещенных на коже культи.
Эти сигналы, которые возникают при тех или иных движениях, транслируются в электронную систему протеза. После обработки сигналы переводятся в команды для двигателей в протезе. Получив команду, двигатели и механизмы активируются, совершая нужное движение. То есть, миоэлектрические протезы управляются интуитивно, освоить их сравнительно несложно — нужно использовать собственные мышцы, как если бы это были мышцы настоящей конечности.
Из чего делают бионический протез
Эти изделия имеют более-менее стандартную конструкцию. И вот из чего состоит бионический протез:
- Основа или каркас, эта часть делается из специального пластика или ультралёгких сплавов металлов. Задача каркаса — делать протез жёстким, защищая его внутренности от повреждений. На каркасе есть гильза, именно эта часть устройства закрепляет протез на культе. Нередко основа покрыта силиконом, который имитирует настоящую кожу — для более эстетичного внешнего вида.
- Механическая часть бионического протеза — всевозможные приводы, шарниры и тяги, за счёт которых искусственная конечность может двигаться. А в ногах применяются еще и амортизаторы, которые призваны смягчать нагрузку при ходьбе и беге. Эти амортизаторы могут быть пневматическими, пружинными или гидравлическими.
- Электроника для контроля пользователя над протезом. Она представлена микропроцессором, который обрабатывает сигналы от датчиков и управляет движениями. Существуют бионические протезы, датчики которых вживляется под кожу головы, чтобы держать прямую связь с мозгом. В остальных случаях сенсоры, как правило, прикрепляются к мышцам культи и считывают поступающие с них сигналы.
- Аккумуляторы и зарядные устройства, которые обеспечивают бесперебойную работу протеза на некоторое время.
Где производят бионические протезы в России
Ведущими странами, где делают бионические протезы, являются Германия, Исландия, Великобритания и Новая Зеландия. В России всего несколько компаний занимается изготовлением бионических искусственных конечностей — “Орто-Космос”, MaxBionic и “Моторика”. Компания «Моторика» известна своим протезом «Страдивари», который даёт пользователю возможность управлять как силой, так и скоростью движений пальцами. Изделие работает от аккумулятора, которого хватает на несколько дней.
При желании «Страдивари» можно оснастить дополнительными функциями: модулем бесконтактного платежа, которым можно рассчитываться в магазине вместо карточки, модулем GSM и так далее. Что характерно, все составляющие бионических протезов компании «Моторика» делаются в России, и только чипы покупаются за границей. Получить такой протез возможно по государственной программе, вне программы он стоит практически 400000 рублей.
Компания MaxBionic производит бионический протез кисти, который выглядит максимально натурально. Протез защищён от воды и попадания грязи, в нём можно настроить под себя ряд параметров: силу, скорость схвата и не только. Также имеется несколько режимов, в которых может работать рука — они тоже выбираются пользователем. Искусственная кисть отличается удобным виброоткликом, который усиливается или ослабевает в зависимости от силы сжатия руки. Стоит биопротез кисти от компании MaxBionic в районе 700000 рублей и больше, если постараться, можно получить его по государственной программе бесплатно.
Что касается компании «Орто-Космос», они занимаются индивидуальным проектированием бионических протезов из готовых модулей, чтобы максимально подстроиться под каждого пациента. Стоимость изделий начинается от 500000 рублей в случае протезов рук, и от 1,3 млн рублей в случае протезов ног.
Производители бионических протезов на российском рынке сталкиваются со множеством сложностей. Главной из них можно назвать низкую платёжеспособность потенциальных клиентов и нехватку финансирования для разработки и изготовления бионических протезов. Также в данный момент нет прямых поставок необходимых комплектующих, приходится покупать их у посредников по завышенной стоимости.
Кто делает бионические протезы: о профессии
Такую профессию называют “разработчик киберпротезов”. Этот специалист работает на стыке медицины, нейрофизиологии, инженерии и программирования. Создает бионические протезы, конечно, не один разработчик, а в сотрудничестве с дизайнерами, инженерами и тестировщиками.
Создание бионических протезов имеет определенные этапы. Сперва создаётся проект, для этого разработчик изучает биоэлектрические импульсы от нервов к мышцам и придумывает, как их соединить с протезом. Затем он делает 3D модель для принтера по индивидуальным параметрам заказчика. После этого подбираются материалы, которые лучше всего подойдут конкретному клиенту.
Чтобы быть разработчиком бионических протезов, необходимо разбираться в программировании, конструировании, электронике, и конечно, в биофизике и нейрофизиологии. А именно нужно уметь:
- Работать с 3D программами;
- Писать код;
- Уметь проектировать, создавать чертежи и макеты;
- Уметь устанавливать протез и обращаться с ним.
Сейчас производство бионических протезов — относительно новое направление, но с большим потенциалом. В России количество таких специалистов исчисляется сотнями. Чаще всего они приходят из медицины или инженерии и нуждаются в небольшом обучении, если же готовить разработчика биопротезов с нуля, на это понадобится до 5 лет.
Возможности и ограничения бионических протезов
Бионические протезы являются удивительной и прогрессивной разработкой, но, как и любое другое изобретение, у них есть свои преимущества и недостатки. К преимуществам можно отнести:
1)Восстановление двигательных функций. Бионические протезы позволяют людям, потерявшим конечности, частично или полностью восстановить двигательные функции, такие как ходьба, удержание предметов, поднятие и перемещение.
2)Интеграция с нервной системой. Некоторые бионические протезы имеют возможность взаимодействовать с нервной системой пациента, что позволяет передавать сигналы между протезом и мозгом, обеспечивая более естественное управление движениями.
3)Инновационные материалы и технологии. Бионические протезы изготавливаются из передовых материалов, таких как карбон, титан, силикон и другие, обеспечивая прочность, легкость и функциональность изделия.
4)Максимальная индивидуализация. Процесс изготовления бионического протеза подразумевает учет особенностей каждого пациента, что позволяет максимально индивидуализировать протез и обеспечить комфорт при использовании.
5)Улучшение качества жизни. Благодаря бионическим протезам, люди, столкнувшиеся с потерей конечности, могут стать более мобильными и независимыми, что положительно сказывается на качестве жизни.
Из недостатков бионических протезов можно назвать:
1)Высокая стоимость по сравнению с другими видами искусственных конечностей. Бионические протезы стоят дорого, что делает их недоступными для большинства людей, которые в них нуждаются. Как сделать бионический протез дешевле — вот в чем вопрос. В России действует программа, воспользовавшись которой можно получить бионический протез бесплатно. Однако схема получения достаточно сложная, из-за чего немногие решаются начинать процесс.
2)Сложность использования. Чтобы освоить и начать использовать бионические протезы эффективно, требуется немало времени и усилий. Часто это невозможно сделать без сопровождения опытных специалистов, что также требует денег.
3)Ограничения функциональности. Несмотря на значительные прорывы в разработке бионических протезов, некоторые из них все еще ограничены по функциональности. Многие протезы позволяют выполнять большинство повседневных действий, однако с мелкой моторикой проблемы — технологий, которые имитировали бы ее в совершенстве, пока нет.
3)Технические ограничения. Бионические протезы зависят от электроники, батарей и других технических элементов. А этому всему может понадобиться обслуживание, замена или ремонт.
4)Психологический аспект. Для некоторых пациентов принятие бионического протеза может быть сложным с психологической точки зрения.Однако этот нюанс актуален для всех пользователей протезов, не только бионических.