На что способны бионические протезы?

Никому и в голову не придет сколько мышц, суставов, нервных окончаний задействованы при завязывании шнурков в кроссовках, во время ходьбы по лестнице. Человеку при рождении даны инструменты, которыми он учится пользоваться. Полученные навыки отрабатываются до автоматизма, поэтому не приходится думать о том, как держать вилку во время завтрака, чтобы она не выскользнула из рук, как поставить ногу, чтобы не упасть.

Сложности появляются после того как человек лишается одного из инструментов, которым природа наделила при рождении. Ампутация ломает сложившуюся систему. Оставшись без ноги или руки, многие впадают в депрессию. Депрессивное состояние затягивает реабилитацию, мешает организму восстанавливаться.

Над решением проблем, возникающих после ампутации, работают ученые всего мира. Инженеры бионических лабораторий используют передовые технологии при разработке искусственных конечностей, наделенных интеллектом. Современные бионические протезы возвращают инвалиду утраченные способности. Человек, ловко пользующийся биопротезом, вызывает у окружающих не жалость, а уважение и восхищение.

Бионика изменяет отношение к проблеме

Первые приспособления, частично компенсирующие отсутствие конечности, появились несколько тысяч лет назад. Немодульные протезы служили опорой при ходьбе, частично скрывали отсутствие части тела. Развитие науки и техники сказывалось на технических характеристиках приспособлений, заменяющих конечности. Сегодня человек с ампутацией ноги или руки не чувствует свою неполноценность, возвращая утраченные способности при помощи модульного протеза.

Существует несколько видов модульных протезов конечностей: бионический, с внешним источником питания, гидравлический, пневматический, механический. В последние сто лет протезирование стремительно развивается. Немодульные конструкции уходят в прошлое, уступая место функциональным модульным моделям. На смену механическим изделиям идут бионические, превосходящие механику по всем показателям.

Что же такое бионика? Как ей удается избавлять от проблем, которые совсем недавно казались непоправимыми? Чем отличается бионический протез от обычного?

Эта наука появилась относительно недавно. Науку, изучающую биологические процессы и возможность их использования в решении инженерных задач, назвал бионикой американский военный врач Джек Стил. Еще до основания отдельной межнаучной дисциплины ученые исследовали процессы внутри биологических систем. Леонардо да Винчи пытался построить аппарат с крыльями как у птицы, в архитектуре принципы бионики использовал Антони Гауди-и-Курнет. Разработки этих гениальных ученых вызывали недоумение у современников.

Сегодня бионика используется для решения технических задач любой сложности. В медицине наука стоит в основе разработок функциональных искусственных частей тела. Умный механический протез конечности способен частично или полностью заменить отсутствующую ногу или руку. Работой бионических протезов руководит микропроцессор, собирающий информацию с тела пользователя при помощи датчиков.

Бионический механизм изменяет отношение людей к проблемам, возникшим после ампутации. Если раньше нужно было регулировать и настраивать устройство вручную, делать неестественные движения, чтобы воспользоваться нужной функцией, то в биопротезе работой сложной кибернетической системы руководит микропроцессор.

Решившись на протезирование, многие интересуются чем бионический протез отличается от обычного. Главное отличие: естественность походки. Человек без ноги, идущий по улице на биопротезе, ничем не отличается от прохожих, не знающих проблем со здоровьем.

Кибернетическое оборудование устраняет главные проблемы ампутанта, позволяя:

Почувствовать уверенность в себе;
Свободно перемещаться, выполнять работу, требующую участия мелкой моторики;
Вернуться на прежнее место работы или найти новое призвание;
Забыть об отсутствии руки или ноги;
Гордиться успехами в освоении робототехники.

Биопротезы выполняют те же функции, что и здоровая конечность, позволяя быстро вернуться к нормальной жизни. Интеллектуальные устройства постоянно совершенствуются, удивляя пользователей новыми возможностями. Бионические протезы будущего станут частью человеческого тела, заменяя отсутствующие органы. При создании современных моделей используются передовые разработки ученых. Все достижения научных сотрудников связаны с бионикой, главное назначение которой – улучшение качества жизни человека.

Биопротезы конечностей

Исследования в области бионики применяются при создании различных органов: глаза, способного распознавать изображения, уха, которое слышит звуки, сердца, работающего от аккумулятора. Некоторые биопротезы не воспринимаются людьми как реальные устройства, но они действительно существуют.

Ученые стремятся разработать протез, способный распознавать нервные импульсы, исходящие от мозга, и посылать импульсы в мозг. Уже научились создавать кости, близкие по прочности и структуре человеческим, ведутся разработки хрящевой ткани. Сложно представить, как будут выглядеть бионические протезы нового поколения. Недавно модульное оборудование казалось пределом совершенства, а сегодня оно выглядит старой рухлядью на фоне биопротеза. Лет двадцать назад о биопротезе ничего не знали, а сегодня его можно заказать в протезной мастерской Москвы. Через двадцать лет на смену бионики придет устройство более совершенное, о свойствах которого не догадываются даже современные ученые.

Протез ноги

Бионика вызвала революцию в ортопедии и травматологии. Возможность заменить отсутствующую ногу интеллектуальным протезом сегодня есть не у всех, но в перспективе биопротезы вытеснят все существующие конструкции. Ученые и разработчики работают в разных направлениях, совершенствуя механизмы, программное обеспечение, удешевляя производство.

В России многие используют функциональные модели с внешним источником питания. Самообучающийся коленный модуль позволяет инвалиду свободно перемещаться, преодолевать препятствия. Протезы с внешним источником энергии не оснащены датчиками, но по количеству функций не сильно уступают биопротезам с микропроцессорной установкой и сенсорными датчиками.

Созданы искусственные конечности, управлять которыми можно силой мысли. Эти современные роботизированные устройства являются единым целым со скелетом человека, устанавливая взаимосвязь механизма с мозгом человека через имплантированные в нервную систему электроды. Такое оборудование из-за дороговизны доступно не многим.

Сегодня в России можно заказать биопротез, состоящий из:

Приемной гильзы, оснащенной мио-датчиками, улавливающими нервные импульсы на поверхности культи. Гильза изготавливается в протезной мастерской индивидуально для каждого пациента. Техник-ортопед делает гипсовый слепок культи, производит замеры и приступает к изготовлению. Когда культеприемная гильза готова к использованию, ее оснащают сенсорными датчиками;
Коленного модуля. Это основной компонент биопротеза, в котором размещен центральный микропроцессор. Сенсоры собирают информацию, считывая сигналы нервной системы с мышц культи, передают данные в микропроцессор. Микропроцессор анализирует биотоки и запускает работу механизмов, отвечающих за движение;
Стопы. Стопа, как все модули протеза, выполняет команды микропроцессора.

Культеприемная гильза изготавливается из прочного легкого материала (карбон, кевлар). Она должна выдерживать серьезные нагрузки, быть устойчивой к механическим воздействиям. Датчики устанавливаются внутри гильзы или вживляются под кожу культи. Они способны считывать биотоки с головного мозга и с поверхности кожи. Датчики вживляются под кожу, чтобы улучшить качество данных, поступающих в микропроцессор (собирать информацию мешают помехи).

Система работает от встроенного аккумулятора. Продолжительность работы зависит от интенсивности использования биопротеза и емкости литиевой батарейки. Заряжать аккумулятор можно от обычной сети.

Чтобы изменить настройки, достаточно зайти в специальное мобильное приложение. Установка индивидуальных настроек возможна через личный гаджет по беспроводной связи при помощи Bluetooth. Периодически нужно обращаться к специалистам, отвечающим за техническое обслуживание, программное обеспечение устройства.

Протез руки

Если биопротезы ног собираются из комплектующих ведущих иностранных производителей, то протезы руки можно приобрести из модулей российского производства. Отечественные модели не уступают, а в некоторых аспектах превосходят иностранные аналоги. В России разрабатывают и производят несколько видов бионических протезов руки. Биопротезы делят на две группы: бионические (работой руководит микропроцессор) и функциональные. Некоторые модели, собранные из модулей российских производителей, можно получить бесплатно.

Конструкция искусственной конечности зависит от уровня ампутации: кисти, локтя, плеча. Протезисты разрабатывают индивидуальный проект, учитывающий возраст, физиологические особенности.

Интеллектуальная рука состоит из:

Приемной гильзы. Для любого протеза гильзу изготавливает техник-ортопед в мастерской. Внутри гильзы помещаются датчики, собирающие биосигналы с поверхности культи;
Роботизированная рука или кисть. Количество модулей зависит от высоты ампутации;
Искусственный сустав (запястье, локоть, плечо);
Соединительные элементы, крепления.

Биопротез улавливает импульсы мышц на культе и преобразует их в движение. Он характеризуется двумя основными параметрами: хват, щуп. Хват необходим при взаимодействии с объемными предметами (сжатие и разжатие пальцев), а щуп пригодится при завязывании шнурков (мелкая моторика).

По функциональности кисти биопротезы делятся на:

Односхватные;
Многосхватные.

В современных моделях используются мультифункциональные (многосхватные) кисти. Они имеют пять независимых пальцев и сложный алгоритм управления. Эти модели дорогие, но они могут выполнять задачи, с которыми односхватные не справятся.

Что нельзя сделать бионическим протезом руки:

Поднимать вес более 60 килограмм. Такие нагрузки могут травмировать культю, повредить механизм;
Работать с перфоратором и другой техникой подобного рода;
Выполнять тяжелую физическую работу.

Если предстоит ремонт, можно заменить насадку (в некоторых моделях снимается подвижная часть механизма).

Плюсы и минусы

Будущее человечества тесно связано с робототехникой. Фантасты описывают в своих произведениях биороботов, не представляя как они близки к реальности. Когда-то людям сложно было поверить в возможность космических полетов, появление искусственного интеллекта, но сегодня это реальная история.

Когда биороботы станут обычной бытовой техникой, еще сложно сказать, но ученые стремительно продвигаются к цели. Киборги пусть дожидаются своей очереди. Новаторы планируют обеспечить всех нуждающихся в протезировании ТСР нового поколения. Анализируя плюсы и минусы бионических протезов, разработанных десять лет назад и современных, прослеживается заметное расширение возможностей пользователей.

Биопротезы еще далеки от идеала, но каждый год они удивляют пользователей новыми функциями. Прогресс в био протезировании вселяет надежду на то, что в ближайшее время появится оборудование, способное полностью компенсировать отсутствие конечности.

Плюсы бионических протезов современности:

Многофункциональность. Биопротезы в разы превосходят механические модели, которые до недавнего времени были единственной возможностью вернуть человеку утраченные способности;
Работой механизмов управляет микропроцессор. Ручная регулировка не требуется. Пользователь может двигаться на протезе в любом темпе, перешагивать и обходить препятствия;
Изготавливается из прочного материала, устойчивого к механическим воздействиям;
Может работать несколько дней без подзарядки;
Если требуется изменить настройки, необязательно посещать специалиста. Настраивать биопротез можно через мобильное приложение, установленное в смартфоне;
Многие модели можно использовать для занятий спортом, активного отдыха (езда на велосипеде, бег…). Разработаны спортивные модули для различных видов спорта. Есть биопротезы с защитой от влаги, которые используются пловцами (возможно погружение в воду на глубину до трех метров);
При двусторонней ампутации нижних конечностей возвращают способность ходить без помощи подручных средств. Походка человека без обеих ног не отличается от походки здоровых людей. Управляет работой биопротезов дополнительный микропроцессор;
Восстанавливают утраченные после ампутации способности, вселяя веру в собственные силы;
Люди с ампутированными конечностями, освоившие биопротез, забывают о фантомной боли. Организм привыкает к новой искусственной части тела и воспринимает ее как свое продолжение.

Перед создателями интеллектуальных протезов стоит много нерешенных задач. Ученые работают над созданием точных аналогов здоровых конечностей. Ведется разработка биосовместимых материалов. Организм человека воспринимает импланты как вражеское вторжение, помещая их в капсулу. Эта оболочка мешает считывать и передавать сигналы микропроцессору.

Отличие по структуре титанового сплава с костью человека со временем приведет к потере ее прочности, а полимер, близкий по характеристикам, недолговечен. Чтобы решить эту проблему, в биопротезе совмещается несколько материалов. Ученые разрабатывают универсальный материал для изготовления каркаса протеза.

Недостатки биопротезов современности:

Емкости аккумулятора недостаточно для длительных походов;
Большинство моделей не защищены от попадания влаги;
Не повторяют форму здоровой конечности;
Большой вес;
Не все желающие могут их носить из-за наличия медицинских противопоказаний;
Чтобы научиться ходить на биопротезе, потребуется приблизительно год;
Высокая стоимость.

Протез для каждого пользователя собирается индивидуально, в процессе обучения несколько раз вносятся изменения в программное обеспечение. Каждая новая модель комфортнее и проще в использовании существующих. Наступит время, когда бионика станет доступной для всех людей с ампутацией конечности.

Настоящее и будущее

Ампутация конечностей в корне меняет жизнь людей. Все планы превращаются в несбыточные мечты, а мысли о будущем приводят в замешательство. Когда врачи предлагают протезирование, многие сомневаются в успехе этого мероприятия. Сможет ли протез компенсировать утраченные способности?

Биопротезирование стремительно развивается во всем мире. Уже сегодня производители изготавливают модели, используя которые можно не только вернуть способность ходить (при потере нижних конечностей), но и бегать, ездить на велосипеде, заниматься спортом. Пользуясь биопротезом руки, можно не только держать ложку, но и писать, печатать на клавиатуре, выполнять сложные действия, требующие точности и аккуратности.

Современные протезы ног умеют:

Выполнять функции здоровой конечности, адаптируясь под пользователя. Применяются датчики силы и крутящего момента, позволяющие определить положение ноги в пространстве, предугадывать дальнейшие действия человека;
Выдерживать серьезные нагрузки во время занятий спортом;
Умная стопа позволяет ходить по лестнице, прыгать, бегать, обходить препятствия, резко останавливаться, сворачивать в сторону;
Некоторые модели не подвержены коррозии. Коленный модуль выдержит даже купание в морской воде;
Возвращать подвижность людям с двусторонней ампутацией и короткой культей;
Распознавать препятствия во время ходьбы.

Бионические протезы, управляемые силой мысли, сегодня уже не фантазия писателя-фантаста, а реальность. Есть модели с роботизированными суставами колена, лодыжки и пальцев ног, способные заменить отсутствующую конечность, выполняя все ее функции.

Современные биопротезы рук позволяют пользователю:

Использовать мелкую моторику при выполнении сложных движений. Пальцы в протезе работают автономно;
Определять форму предмета, находящегося в роботизированной руке;
Имитировать индивидуальные жесты;
Передавать тактильные ощущения.

Предсказать, какими будут протезы будущего невозможно, но то, что они смогут полностью компенсировать отсутствие конечности, без сомнений. Пользователю не придется снимать биопротез перед принятием душа, искать во время путешествия розетку для подзарядки, а внешне роботизированная конечность будет выглядеть как настоящая.