Принцип работы бионических протезов

Природа демонстрирует чудеса изобретательности, наделяя живые существа способностью приспосабливаться к любым условиям обитания. Все тайны бытия разгадать невозможно, но каждое новое открытие в области бионики – это шаг навстречу будущему. Бионика помогает в создании уникальных инженерных конструкций, решающих проблемы людей с ограниченными возможностями.

В медицине уже применяют жизненно необходимые искусственные внутренние органы, разработанные на базе исследований биоников. Научные центры создают сложные механизмы, заменяющие отсутствующие конечности, используя открытия в бионике. Как описать механизм, работа которого напоминает сюжет из фантастического фильма? Что такое бионический протез простыми словами?

Как мы до этого докатились

Раньше было проще: изгнал шаман демона из больного человека – хорошо, отказался демон выходить – тогда обществу такой человек без надобности. Проще было знати: заболел – личный лекарь сделает все, чтобы его спасти. Если не получилось вылечить, хоронили пациента и врача.

Для человека, который остался без конечности, дальнейшее существование теряло смысл. Без ноги или руки во все времена сложно было выживать, поэтому умельцы придумывали разные способы их замены. Археологи находят протезы, которыми пользовались тысячи лет назад. Приспособления изготавливались из разных доступных на тот момент материалов.

Со временем медицина начала приобретать современные очертания. Врачи средневековья считали ампутацию самым действенным способом лечения, поэтому тогда появилось много инвалидов. Конструкции, служащие опорой при ходьбе, маскирующие недостатки, могли только частично скрасить жизнь человека.

В начале прошлого века к протезу начали предъявлять более высокие требования. Инженеры пытались создавать сложные механические конструкции, помогающие выполнять простейшие движения искусственной рукой или ногой. Некоторые модели отдаленно напоминали здоровую конечность, но не могли сравниться с ней по функционалу.

Изобретение модульных протезов изменило ход истории протезирования. Современные модульные устройства помогают людям, лишенным возможности ходить на собственных ногах, ходить, бегать, спускаться и подниматься по лестнице на искусственных. У человечества появилась надежда на появление в будущем протеза, способного выполнять все функции здоровой конечности, а у конструкторов наметились четкие цели.

Исследования в области бионики использовались инженерами задолго до появления официального названия этой науки, объединяющей в себе биологию, физику, химию. Процессы, происходящие в природе, интересовали ученых древности, средневековья. Сегодня их изучают более досконально, используя современное оборудование. Принцип действия бионических протезов основан на результатах исследований в области бионики. Каждая новая разработка впечатляет уникальными возможностями, позволяющими человеку с ампутированной конечностью чувствовать себя полноценным членом общества.

Бионика и протезирование – что их объединяет

Исследования в области бионики направлены на извлечение из природных процессов и явлений ценной информации, помогающей создавать полезные человеку инженерные конструкции. Когда идеи, предложенные бионикой, поддерживает кибернетика, изучающая поведение живых организмов, на чертежах конструктора рождается бионический протез нового поколения.

Роботизированное устройство выполняет функции отсутствующей конечности, считывая импульсы, посылаемые мозгом пользователя. От владельца не требуется производить неестественные движения, регулировать, настраивать оборудование, чтобы оно выполняло нужные команды. Интеллектуальная система читает мысли своего хозяина и беспрекословно исполняет его желания.

Понять обычному человеку, далекому от науки, как действуют бионические протезы, сложно. Да и нужно ли вникать в тонкости работы системы, созданной учеными, инженерами, программистами в научных лабораториях? Но, чтобы быстрее освоить устройство, нужно понимать смысл мероприятий, необычных для стандартной обучающей программы, и основные правила эксплуатации.

Бионический и механический протезы призваны решать одну задачу: восстановление двигательной активности человека, оставшегося без конечности. Механический достиг пика своего развития и с чувством выполненного долга передает эстафету электронным и бионическим моделям.

Биопротез превосходит механическую модель по:

Мобильности. При протезировании нижней конечности бионический протез сам подстраивается под походку, регулирует скорость движения, преодолевает препятствия. Сравнивать как работают бионические и механические протезы рук не имеет смысла. Умная рука позволяет выполнять любую работу, а механическая на ее фоне выглядит как аксессуар, о назначении которого не знает даже владелец;
Безопасности. Исключает травматизм при использовании (падение при потере равновесия, спотыкании на ступеньках, при ходьбе по неровной поверхности) и возникновение побочных болезней (сколиоз, хромота…);
Функциональности. Ни одна из механических моделей не способна настолько точно воспроизвести движение руки или ноги, как биопротез. Свобода движения, уверенность, непринужденность чувствуется в каждом шаге и жесте владельца интеллектуальной конечности;
Презентабельности. Если механическую конструкцию владельцы пытаются маскировать, придавая ей вид здоровой конечности, то биопротез демонстрируют во всей красе, называя себя в шутку киборгами. Необычный дизайн умной ноги или руки превращает обычного человека в гостя из будущего.

Многие видели как работает бионический протез, но мало кто представляет систему взаимосвязи механической части с пользователем, отдающим команды на движение. Чтобы оборудование работало, ученые разработали уникальную схему, объединяющую человека и механизм в одно целое.

Устройство и работа биопротеза

В биопротезировании есть еще много нерешенных задач, над которыми бьются ученые всего мира. Протезы будущего будут идеально совмещаться с тканями человека, смогут длительное время работать без подзарядки (а может будут сами добывать энергию из окружающей среды), изменятся внешне (станут компактнее, легче). Когда придут времена, когда цена умной ноги станет доступной для всех нуждающихся в протезировании, пока неизвестно, но ученые ищут варианты удешевления конструкции.

Пока научные сотрудники, инженеры, программисты ломают голову над созданием совершенной конструкции, протезисты собирают устройства из того, что уже производится на специализированных заводах. Разобравшись как устроен современный бионический протез, будет легче найти общий язык с протезистом и инструктором, обучающим ходьбе на новом ТСР.

Модули биопротеза:

Одним из важных модулей является приемная гильза. Она изготавливается в протезной мастерской индивидуально. Протезист делает гипсовый слепок культи, изготавливает пробную гильзу. Форму гильзы корректируют до тех пор, пока она не сядет на культю идеально. Внутри на поверхность гильзы нанесено инертное, биологически совместимое с телом человека алмазоподобное покрытие (DLC). В гильзу помещают датчики, улавливающие мышечные сигналы. Нейросенсоры могут считывать сигналы с коры головного мозга или фиксировать импульсы в мышцах культи (в зависимости от того, где они расположены: внутри гильзы, под кожей головы или культи);
Механические модули: шарниры, имитирующие суставы (коленный, тазобедренный, локтевой модули, стопа, кисть, пальцы), приводы (гидравлический или пневматический), электромоторы, соединительные элементы и др… Все механизмы соединяются между собой и управляются центральным микропроцессором. В протезе бедра микропроцессор, управляющий работой системы, находится в коленном модуле. В центр управления поступает информация, собранная датчиками. Мозг интеллектуальной ноги обрабатывает данные и посылает команды механизмам, отвечающим за выполнение определенного действия;
Аккумулятора. От емкости литиевой батареи зависит длительность использования без подзарядки.

Модули защищены от механических повреждений, влаги надежным каркасом. Каркас изготавливается из современных легких, прочных материалов (кевлар, карбон и др…). Оболочка оборудования выполняет косметические функции. Иногда пользователи привлекают к декорированию каркаса дизайнеров.

Бионические протезы делают для спортсменов и обычных людей, не желающих мириться с ограничениями подвижности. Активный образ жизни невозможен без многофункциональных биопротезов, выполняющих все основные функции отсутствующей конечности.

Правила эксплуатации

Когда в квартире появляется новая техника, одни знакомятся с инструкцией, потом начинают пользоваться, а другие начинают пользоваться, ломают, несут в ремонт, потом читают инструкцию. Биопротез слишком дорогой, чтобы рисковать. Сломать его по незнанию правил эксплуатации не получится еще по одной причине: каждый клиент протезной мастерской проходит обучение в школе ходьбы, где инструктор расскажет и покажет как надевается и крепится бионический протез. Под контролем специалистов проходит полный курс обучения. Учиться пользоваться умной искусственной рукой тоже придется под контролем специалистов. Инструктор поможет освоить мелкую моторику, контролировать силу хвата и т.д…

Бионические протезы устанавливают на культю так же, как и модульные с вакуумным креплением. Во время прохождения курса реабилитации в школе ходьбы, пациент знакомится с устройством роботизированной техники, функциями нового оборудования. Специалисты учат надевать, крепить, снимать протез, ухаживать за культей.

В процессе обучения меняется походка, появляются новые навыки. Программист разрабатывает индивидуальную программу, по которой будет работать система до технического обслуживания. Современные биопротезы самообучаемые. Они накапливают информацию, которая впоследствии помогает быстро реализовать планы пользователя. Но систематизировать данные все же нужно.

В России можно заказать бионический протез конечности в протезной мастерской. Роботизированное устройство собирается из комплектующих нескольких производителей. Модули иностранного производства значительно дороже российских комплектующих. Биопротез руки можно собрать из отечественных компонентов. Производство модулей для протезов нижних конечностей в России пока недостаточно развито, поэтому большую часть комплектующих нужно заказывать в Европе.

Высокая стоимость заставляет многих людей с ампутацией конечности откладывать протезирование до лучших времен. Они лишают себя возможности вернуться к нормальной жизни из-за незнания законов РФ. Протез можно получить бесплатно, даже если он дорогостоящий. Уточнить способы получения компенсации можно у специалистов протезной мастерской. Следующим шагом будет первичная консультация у протезиста и подбор модели будущего протеза.