Ежегодно около 300 тысяч человек по разным причинам теряют ноги. Чаще всего ампутацию проводят ниже колена — это 71% всех операций. Но даже в более тяжелых случаях пациенты могут продолжать комфортную жизнь благодаря современным бионическим протезам. Сегодня производятся роботизированные ноги с двумя подвижными суставами, которые позволяют безопасно перемещаться по городу, заниматься бегом и танцевать. Как это работает сейчас и в каком направлении протезы будут развиваться дальше, рассказывает СЕО группы компаний «Салют Орто», резидент фонда «Сколково» Иван Худяков.
От простого к сложному
Сразу оговоримся, что речь дальше пойдет о функциональных подвижных протезах — косметические мы рассматривать не будем. Самый простой и доступный вариант — механические протезы. Они могут сгибаться и разгибаться за счет мышц, оставшихся на ноге пациента. Технологии, которые используются в таких конечностях, создавались 20 лет назад.
Современный бионический протез как таковой — это устройство, способное сгибаться под действием мускульной силы или каких-либо механизмов. Однако сейчас под этим в первую очередь понимают устройство с микропроцессорным управлением. Их уже сегодня выпускают многие компании, а в ближайшие год-два рынок пополнится новыми образцами. Их особенность — использование элементов робототехники.
В коленный модуль таких протезов встраиваются акселерометр, датчики давления и угла наклона. Они передают данные об окружающей среде и обстановке: с какой скоростью идет человек, по ровной дороге или с уклоном, какой у него вес и так далее. На основе этого микропроцессор выбирает оптимальный режим работы для сервоприводов, которые обычно расположены в коленном модуле.
Бионические протезы недешевы. В России стоимость одного изделия может превысить 1 млн рублей. Но к счастью, наша система здравоохранения позволяет получить его бесплатно — эта норма прописана в законе «О социальной защите инвалидов в Российской Федерации» (№181-ФЗ). Или, если вы купили протез самостоятельно, можно получить компенсацию стоимости, но для этого нужно подать пакет документов в Фонд социального страхования.
Больше адаптивности
Микропроцессорная система может подстраиваться под динамику движения человека, но в очень ограниченных пределах. Как правило, у сервоприводов есть, условно, три скорости работы: малая, средняя и высокая. То есть идти вы можете относительно комфортно — а вот ускориться или резко остановиться будет затруднительно. Сейчас ученые ведут исследования и ищут новые способы подключить к человеку дополнительные датчики. Мы при поддержке фонда «Сколково» тоже над этим работаем.
Такие датчики будут соединяться с мышцами. Что это даст? Во-первых, при движении человек напрягает мышцы в культе. Следовательно, их можно использовать для более точного управления коленным модулем, что повысит плавность хода. Во-вторых, если мышцы человека слабы, сервоприводы будут эффективнее усиливать их, вовремя подхватывая движение. И в-третьих, это сделает ношение протеза более комфортным.
Особенно актуально это для людей, у которых ампутирована значительная часть тела. Так, если пациент лишился бедра, то он может делать шаг искусственной ногой лишь за счет поворота тазом. Это тяжело и неудобно. А люди с ампутацией обеих ног вынуждены передвигаться очень медленно. Роботизированные протезы позволят им ходить с обычной скоростью. К тому же эта система может имитировать мышечную память и, например, восстановить женственную походку.
Части будущего
Все возможности, чтобы создавать такие протезы, сегодня есть. Не нужно изобретать новые устройства для считывания усилий мышц — существующие датчики справляются с этой задачей. Написать ПО и алгоритмы работы в разных режимах тоже не так сложно. Ограничения в другом.
Раньше роботизированные коленные модули не могли развиваться из-за элементов питания — батареи были очень тяжелыми и занимали много места. Сегодня же роботизированную ногу можно снабдить аккумулятором, который будет весить всего около 1,5 килограмма — но его заряда хватит на 10 тысяч шагов. Да, такую ногу нужно будет заряжать часто — но на день использования ее точно будет хватать.
В дальнейшем именно этот фактор будет ограничивать развитие бионики. Существующие микрочипы размерами не превышают 10 нанометров. Делать компактные сервоприводы с хорошей мощностью ученые также уже научились. А вот элементы питания пока либо слишком громоздкие, либо дают недостаточную автономность. Есть надежда, что в будущем появятся батарейки на холодном ядерном синтезе или какая-то похожая технология. Иначе пользователи роботизированных конечностей будут вынуждены постоянно искать розетку.
Завтрашний день
В будущем протезы могут стать еще более комфортными и функциональными. Например, можно добавить им обратную связь, чтобы человек чувствовал поверхность, на которую наступает: ее рельеф, фактуру, скользкая она или нет. Это, во-первых, повысит безопасность передвижений — можно будет не следить постоянно, куда ставишь ногу. А во-вторых, искусственная нога будет ощущаться как настоящая.
Есть два пути реализации этой задачи: остеопротезирование и нейроинтерфейс. Первый вариант — это штифт, который вкручивают человеку в кость культи. Уже на него крепится сам протез. Таким образом передается часть ощущений. Но спектр их будет неполным, а еще велика вероятность, что место установки штифта будет постоянным источником воспаления и инфекций. Поэтому такую технологию массово не применяют. Во втором случае человеку будут вживлять датчики. Они могут передавать широкий спектр ощущений, но их необходимо где-то разместить.
Другая и более реальная история — протез с двумя подвижными суставами. Помимо коленного модуля в нем будет устанавливаться роботизированный голеностоп. Нога с одним микроконтроллерным суставом позволяет бегать, ездить на велосипеде, а при должной гидроизоляции — плавать. С двумя такими суставами можно будет танцевать и заниматься сложными видами спорта.
И совсем фантастическая история — назовем ее «боевыми протезами» — ноги, не просто компенсирующие утраченные конечности, но усиливающие человека, которые позволят запрыгнуть на второй-третий этаж дома или поднять рюкзак весом в тонну. На самом деле, это не такая и фантастика, материалы и технологии есть. Изысканиями же в этой области никто пока не занимается, потому что это не востребовано. Вопрос экономический, а не технический. Если появится спрос на подобного рода устройства, думаю, мы увидим их уже в ближайшие 15 лет.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
