БИОНИЧЕСКИЕ ПРОТЕЗЫ: ИСТОРИЯ, БУДУЩЕЕ, РЕАЛЬНОСТЬ

Аннотация. В статье рассматривается бионические протезы, которые контролируются головным мозгом. Раскрывается история развития, терминология, принцип работы, реальное применение в настоящее время как в России, так и за рубежом. Производится оценка возможных недостатков предложенного аппарата. Делается вывод о важности применения

Ключевые слова: бионические протезы, развитие, биотехнологии, история IT, робототехника, протезы, будущее.

Потеря конечности или любого органа — это очень большая проблема. Бывают случаи, когда приходится смириться, но всё же иногда современные способы протезирования способны повлиять на человека «с ограниченными возможностями» и сделать из него человека с «дополненными возможностями». выражаются представители некоторых компаний этой отрасли. 

Первым известным исторической науке протезом, является находка из Древнего Египта, которой более 3 тысяч лет. Учёные пришли к выводу, что устройство крепилось к телу системой кожаных ремней

Рисунок 1. Фото Древнеегипетского протеза

В средневековье так же повсеместно использовались накладные конечности. Хорошим примером являются стальные руки рыцарей — это протез руки, выполненный из стали, датируется XVI веком. В нём есть сдвоенные пальцы и большой палец, которые могут принимать определённые позиции. Управление происходило с помощью кнопки на тыльной части ладони. Приспособление позволяло брать в руки предметы и писать пером. 

По мере того, как продолжалась гражданская война в США, количество ампутаций росло катастрофически быстро, такие события отразились на то, что протезирование оформилось в отдельную область. Джеймс Хангер, один из первых ампутантов гражданской войны разработал и запатентовал протез, изготовленный из бочарных клепок и металла, который имел шарнирные суставы в области колена и лодыжки.

Протез Джеймса Хангера модифицировался-движения стали более плавными и тихими при ходьбе. Протез, сделанный для пианистки в начале XX века был сделан из дерева, кожи и ткани-запястье вращается, пальцы меняют положение, а в ладонь добавлен крюк — чтобы можно было, например, носить сумку. Протез представлен в Музее науки в Лондоне.

Рисунок 2. Фото протеза в музее науки в Лондоне

Для того, чтобы погрузиться в такие аспекты как принцип работы и будущие перспективы развития необходимо конкретизировать терминологию. Бионика — это прикладная наука, объединяющая в себе биологию и технику. Бионические протезы относятся к косметически-функциональному типу. Восстановление функции конечности достигается с помощью эффекта мышечной реиннервации. Принцип работы заключаются в том, что нервный импульс вызывает изменение электрического биопотенциала мышцы, когда человек пытается пошевелить конечностью. Данный сигнал улавливается датчиком, поступает к микродвижкам, которые приводят протез в движение. Таким образом, процесс управления полностью контролируется головным мозгом человека. Последние модели таких протезов также дают возможность чувствовать тепло и давление посредством датчиков, сигнал от которых поступает в кожу культи.

Первостепенные требования, которые предъявляются к бионическим протезам:

• протез должен быть изготовлен по оптимальному соотношению лёгкости и прочности, что часто очень усложняет и увеличивает расходы на производство;
• износостойкость деталей, шарниры, имитирующие должны быть устойчивыми и обеспечивать плавное движение в них;
• электроника должна быть надежной;
• максимальная приближенность в анатомическом сходстве с конечностью.

При выборе бионического протеза так же необходимо ориентироваться на более известные брендовые марки (ОТТО БОКК). Немаловажно учитывать наличие у производителей сервисных центров, который выполняет гарантийное и послегарантийное обслуживание своей продукции. Компании при тесном сотрудничестве с врачами ортопедами и травматологами, получают бесценный опыт, что позволяет наиболее оптимально подобрать бионический протез учетом вида травмы и анатомических особенностей культи конечности.

Существует четыре способа взаимодействия человека с протезом. Первый, наиболее радикальный — разного рода импланты в моторную и сенсорную зоны коры головного мозга. Второй — использование электроэнцефалографии (ЭЭГ). Метод ЭЭГ основан на регистрации биоэлектрической активности головного мозга, возникающей вследствие распространения потенциала действия по нейронам. Третий: имплантация электродов к периферическим нейронам в оставшейся части руки. В настоящее время самым перспективным методом управления бионическими протезами электромиография — это метод анализа мышечной активности, основанный на измерении разности потенциалов в двух точках, между которыми под кожей по мембранам мышечных волокон распространяется потенциал действия. Такие высокотехнологические протезы уже вышли за пределы лабораторий и производятся серийно. Однако научить пациента правильно управлять протезом — все еще сложная проблема.

Бионическое протезирование коснулось не только конечностей человека, но и такого сложного человеческого органа как глаза. Ученые разработали бионический глаз. При потере зрения, вживляется протез сетчатки, саму сетчатку с неповрежденными нейронами дополняют искусственно созданными фоторецепторами. Если зрение потеряно полностью, то изображение создается с помощью видеокамеры, процессор преобразует изображение в электронный сигнал и пересылает его на тончайший приемник ресивер, встроенный в глаза, в сетчатку же встроен фото сенсор для преобразования сигналов.

Существует несколько технологий. Первая-поток импульсов отражается от дисплея под наклоном на очках, и проходит через глазной хрусталик, попадая на протез. Второй способ- видеокамера записывает информацию и пересылает на видеопроцессор. Процессор преобразует изображение в электронный сигнал и отправляет его в передатчик, сетчатка соединена с электродами, далее информация идет через оптический нерв в мозг. Немецкая разработка протеза контролирует интенсивность подачи света с помощью электродов, в сетчатке. Далее свет попадает в микрочип, который в свою очередь передает сигналы непосредственно в мозг. Данная технология более привычна глазу и является более передовой.

Направление бионических протезов развивается во всём мире. Главная цель этого развития — создание готового удобного в управлении протеза, на данный момент существуют недостатки, которые приходится принимать при использовании.

• Батарея-бионические руки могут проработать в течении дня, но этого недостаточно, не обеспечивают мобильности, например, в путешествиях.

• Отсутствие защиты от воды-необходимо защищаться с помощью специальных перчаток, чтобы грязь не попала внутрь устройства.
• Лаги при управлении: при управлении с помощью миоэлектрических датчиков пользователи имеют лаг: сначала мозг передаёт команду в мышцу у датчика, затем датчик передаёт команду двигателю, и после этого меняется жест. Так что реакция — далеко не самая высокая. 

Развитие не стоит на месте, планируется оснащение доступом к wi-fi сетям, сенсорным дисплеем с возможностью просмотра почты или социальных сетей. Будет функционал smart-часов, а затем и полноценного смартфона. Протез станет пультом управления для любых домашних электронных устройств, начиная от чайника и заканчивая телевизором.

Список литературы:

1. Бионические руки [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://geektimes.ru/post/276638/ (дата обращения 17.01.2018)
2. Как работают бионические конечности [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://theoryandpractice.ru/posts/2353 (дата обращения 10.01.2018)
3.  RSLSteeper launches bebionic fully articulating myo-electric hand [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://newatlas.com/ (дата обращения 16.01.2018)