Биомеханическая рука своими руками

Рука помощи: как устроен бионический протез

Фото: A.R.M. Project Titanium

В следующем году холдинг «Технодинамика» Госкорпорации Ростех начнет серийное производство бионических протезов руки. Разработчики ставят перед собой амбициозную задачу – создать собственный «автомат Калашникова» в сфере бионического протезирования. Кроме того, разработки в этой тематике ведут холдинги «Швабе» и КРЭТ.

Для людей, лишившихся руки, бионический протез – это возможность почувствовать себя не инвалидом, а супергероем. Как отмечают создатели, такие протезы могут быть адаптированы и для использования на сложных и опасных производствах. Например, при дистанционной работе с огне- и взрывоопасными составами или в агрессивной среде.

О том, какие новые возможности предоставляет современная бионика и как устроен новейший бионический протез – в нашем материале.

Запчасти для человека

О замене утраченных органов человечество задумывалось с древних времен, постепенно совершенствуя эту область знаний и сами протезы. Если первые протезы в основном имели эстетическое предназначение и визуально скрывали ущербность, лишь в редких случаях выполняя функции недостающих органов, то современные устройства в недалеком будущем смогут даже расширить возможности человека, сделав из него кибернетический организм, или киборга.

Несмотря на то что киборгизация человечества все еще выглядит сюжетом из фантастики, киборги уже живут среди нас, ведь так можно назвать любого человека, который использует механический или электронный протез или имплант. Сегодня одним из самых совершенных и при этом доступных видов протезирования верхних конечностей являются бионические протезы.

Бионика – наука, изучающая возможности применения свойств живой природы в технике. Впервые это слово употребил в 1958 году американский военный врач Джек Стил, который исследовал природные процессы и явления, чтобы применить эти знания в разработках для армии США. Одним из результатов развития бионики стало появление электронных протезов, которые могут взаимодействовать с нервными клетками человека.

Примечательно, что в СССР подобные разработки начались еще в 1956 году, когда доктор биологических наук Яков Славуцкий описал физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами. А уже в 1961 году начался промышленный выпуск советских протезов предплечья с биоэлектрическим управлением.

Стать киборгом за счет государства

В России около 200 тысяч человек нуждаются в протезировании рук или ног. Государство декларирует помощь в приобретении протеза, но на практике это часто оказывается проблематичным – либо очень сложно пройти через бюрократические препоны и получить компенсацию стоимости купленного за свои деньги протеза, либо выделяемые бесплатно протезы оказываются устаревших моделей и низкого качества. Еще одна проблема – сами инвалиды мало знают о современных протезах и о своих возможностях в получении технических средств реабилитации.

Но ситуация постепенно выравнивается. В рамках нацпроекта «Здоровье» увеличивается финансирование направления. В России за последние несколько лет появились свои стартапы разработчиков перспективных типов протезов, которые могут конкурировать с западными монополистами, по меньшей мере, на российском рынке. К теме проявляют интерес СМИ, шаг за шагом создается инфополе, у проектов появляются частные и государственные инвесторы, готовые поддержать деньгами и производственными возможностями.

Важным стимулом к развитию функциональных протезов стало развитие технологий. Практически все современные промышленные тренды нашли отражение в протезировании конечностей – роботизация, искусственный интеллект, создание материалов нового поколения, увеличение емкости и снижение веса аккумуляторных устройств, 3D-печать и другие.

Как работает бионическая рука

Бионический или биоэлектрический протез рождается на стыке наук – биологии, медицины, инженерии. Дизайн тоже играет немаловажную роль. Сегодня и производители, и будущие пользователи протезов не ограничивают себя в визуальном копировании природной конечности – протез может выглядеть футуристичной рукой робота или быть раскрашенным яркими принтами.

Работает бионический протез так. На культю руки крепится гильза, которая в каждом случае изготавливается врачом-протезистом под индивидуальные параметры. В гильзе размещаются датчики мышечной активности, взаимодействующие уже непосредственно с роботизированной рукой.

Фото: «Концерн Радиоэлектронные технологии»

Управление бионической рукой осуществляется через электроды с помощью биоэлектрических потенциалов мышц. Другими словами, протез «улавливает» мышечные импульсы и реагирует на них определенными движениями. Большинство задач решается двумя действиями протеза – хватом и щупом. Первое позволяет взаимодействовать с крупными предметами, второе – с мелкими, например застегнуть молнию или завязать шнурки.

Некоторые производители расширяют возможности бионических протезов, встраивая в них различные датчики и гаджеты, устройства оплаты, фонарики. Уже сегодня понятно, что в обозримом будущем возможности протезов превысят возможности природных органов тела, и это откроет совершенно новые перспективы их применения.

Кибер-руки Ростеха

В России наблюдается постепенный переход от косметического протезирования к функциональному, а рынок бионических протезов с каждым годом растет. По словам экспертов, в данный момент около 50 тыс. россиян стоят в очереди на протезирование рук. Сегодня благодаря участию госсектора молодые ученые и бизнесмены готовы вкладывать свои силы и знания в бионику. Невысокая цена – основное конкурентное преимущество отечественных разработок: базовые модели разрабатываются с учетом полного покрытия стоимости протеза субсидией Фонда социального страхования. Второй плюс для тех, кто выберет российский протез – более оперативная замена или ремонт в случае неполадок.

Перспективным направлением занимается сразу несколько предприятий Ростеха. Например, холдинг «Технодинамика» в следующем году начнет серийное производство бионических протезов руки под маркой A.R.M., выполненных полностью из отечественных компонентов. Протез создан совместно с командой изобретателей из Ленинградской области. Искусственная рука из металла и полиуретана воспроизводит основные движения кисти, не боится пыли и влаги и работает до трех дней без подзарядки. С помощью протеза можно поднимать до 10 кг и захватывать предметы диаметром до 10 см. Производить протезы A.R.M. будет НПП «Краснознаменец».

Холдинг «Швабе» уже выпускает высокотехнологичные протезы рук в сотрудничестве с резидентом «Сколково» – компанией «Моторика». Специалисты Вологодского оптико-механического завода собирают механическую часть протеза и внутренний остов кисти. Устройства «Моторики» отличаются чуткой системой управления, позволяющей работать с хрупкими предметами, различным дополнительным функционалом и длительным временем работы. Компания «Моторика» занимается просветительской деятельностью, помогает с получением протезов за счет государства и поддерживает сообщество владельцев бионики.

В рамках холдинга КРЭТ производство бионических протезов осваивает НПО «Квант» . Предприятие готовится к выпуску протезов SmartLi, разработанных новгородской компанией «Техбионик». Важное преимущество разработки – модульная конструкция протезов. Она открывает широкие возможности для адаптации устройств под конкретных пациентов и снижает стоимость протеза. Проект предусматривает выпуск целой линейки протезов: от облегченных моделей для маленьких детей до многофункциональных искусственных кистей.

События, связанные с этим

Путешествия с Ростехом: Самара

Дезинфекционный удар: технологии профилактики коронавируса

Источник

Бионические руки: история, будущее и реальность

Потеря любой конечности или любого органа для человека — это большая проблема. В некоторых случаях с ней приходится мириться, но иногда современные средства протезирования способны сделать из человека «с ограниченными возможностями» человека с «дополненными возможностями», как выражаются представители некоторых компаний этой отрасли.

В этой статье мы поговорим о протезировании рук. Здесь мы не затронем тему зубов, глаз, ушей, лица, внутренних органов человека и даже ног. И начнём со Средневековья, когда одним из самых эффективных способов борьбы с инфекциями была ампутация. Тему продолжат устройства викторианской эпохи и современные бионические протезы, а в конце мы обсудим будущее этого направления.

Стальные руки рыцарей

Этот 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. Это устройство — один из трёх протезов шевалье Götz von Berlichingen. Приспособление позволяло брать в руки предметы и, возможно, даже писать пером.

Внутри этой железной руки, изготовленной в XVII веке, был механизм, который позволял сгибанием оставшейся руки управлять сжатием кулака. Это был, видимо, прообраз современных тяговых протезов.

Этот деревянный протез предположительно был сделан в 1800 году.

Ещё один деревянный протез предположительно управлялся с помощью тросика. Искусственная рука представлена в Смитсоновском музее.

Источник: invention.smithsonian.org

Менее богатые люди могли использовать крюки-протезы, подобные этому приспособлению начала XIX века. Когда я взялся за эту статью, я был уверен, что только такие протезы и были до XX века.

Локоть, запястье и пальцы этого протеза, сделанного между 1850 и 1910 годами, могут двигаться. Вероятно, на эту железную руку надевали перчатку. Хотя устройство выглядит очень интересно.

В 2013 году на Хабрахабре заминусовали пост о чудо-протезе из Голландии. Пост содержал скан из Журнала Министерства народного просвещения № 7 от 1837 года, где описывалась «механическая рука нового устройства, которая может совершенно заменить потерю этих драгоценных членов». Две такие руки, которыми можно махать, шевелить пальцами и брать предметы, дали двум военнослужащим. Судя по предыдущим примерам протезов, которые хранятся в различных музеях и описаны историками и учёными, данная статья всё-таки могла не быть уткой, как думали пользователи.

На фотографии ниже — ветеран Гражданской войны в США 1861-1865 годов.

В ладони этой женской искусственной руки XIX века видны отверстия, которые, возможно, использовали для закрепления крюка или других приспособлений, упрощающих жизнь.

Источник: collectmedicalantiques.com

XX век

Протез на фотографии ниже был сделан для 16-летней девочки, потерявшей руку ниже локтя. Протез сделан из дерева, кожи и ткани. Нужно отметить, что здесь думали и о внешнем виде приспособления, и о его функциональности: запястье вращается, пальцы меняют положение, а в ладонь добавлен крюк — чтобы можно было, например, носить сумку. Протез представлен в Музее науки в Лондоне.

Так выглядели протезы XIX и XX века. Представлены в Музее науки.

На этой фотографии немецкий солдат работает в мастерской, используя протез левой руки. Фотография содержится в Национальном музее Первой Мировой Войны в Канзасе.

Это швейцарский протез. В лучших традициях — с разными сменными насадками.

Этот протез представлен в Музее науки в Лондоне. Он сделан для 17-летнего парня в 1959 году.

Источник: sciencemuseum.org.uk

Одними из первых получателей протезов были военнослужащие. В этом случае производитель протезов из Бруклина на рекламном плакате сообщил, что горд работой с вооружёнными силами США.

Как можно заметить, протезы этого типа за несколько десятков лет не особенно изменились.

Современные бионические протезы

Давайте разберёмся сперва, что такое «бионические протезы». Бионика — это прикладная наука, объединяющая в себе биологию и технику. Живая природа помогает учёным находить решения для технических устройств. Различают биологическую бионику, которая изучает процессы в биологических системах, теоретическую, которая строит математические модели этих процессов и техническую. Нам сейчас важна техническая бионика: она применяет модели теоретической бионики для решения инженерных задач, как и в случае с протезами.

Ранее специалисты подразумевали под «бионическими» протезами такие устройства, которые похожи на часть тела, которую они замещают. С точки зрения современных понятий эти протезы — те, которые управляются электроникой и биотоками, то есть используют миографию или энцефалограмму.

Британская компания RSLSteeper, имеющая на данный момент около 90 лет опыта в протезировании, вывела бионический протез кисти руки BeBionic на международный рынок в 2010 году. На тот момент искусственная рука для взрослого имела только четыре функциональных захвата, но уже позволяла есть, пить, печатать, поворачивать ключ в замке, использовать банкомат и держать маленькие предметы. Пользователь с помощью устройства может разбивать яйца и держать в руке одноразовый стаканчик — потому что даже сила нажатия регулируется командами, снимаемыми датчиками с мышц.

Отсутствие массового спроса и низкая конкуренция — основная причина, по которой бионические протезы очень дорого стоят. В 2013 году протез ладони стоил до ста тысяч долларов.

Как удешевить протез? Нужно сделать дешевле его производство. В 2013 году успешно завершилась краудфандинговая кампания на IndieGoGo по созданию открытого и доступного протеза ладони, большую часть деталей для которого можно распечатать на 3D-принтере. Устройство имеет независимые приводы для каждого пальца, тактильную обратную связь и считывает сигналы через кожу для управления. В ладони устройства находятся электроприводы и управляющая плата на Arduino.

Ещё один проект, Limbitless Solutions, который делает недорогие протезы, в 2015 году устроил встречу Роберта Дауни младшего и семилетнего мальчика Алекса, чтобы подарить ребёнку бионический протез в форме руки костюма его любимого героя.

И что очень важно — благодаря печати на 3D-принтере себестоимость этого протеза составила всего 350 долларов. Сам проект делает эти протезы в основном для детей, семьи которых не могут себе позволить потратить 30-100 тысяч долларов на бионическую руку.

В 2014 году в госпитале Университета Джона Хопкинса разработали протез обеих рук и испытали его на человеке, который потерял обе руки от плеча и ниже. Для управления протезом система считывала сигналы с грудных мышц.

Один из самых серьёзных игроков рынка протезирования рук в мире — компания Bebionic. Часто в СМИ говорят о том, что именно эта компания сделала первый бионический протез. В этом видео — демонстрация возможностей миоэлектрического протеза BeBionic 3 от Найджела Экленда, известного в России и мире киборга.

В июне 2016 года первая британка получила кисть Bebionic Small — реалистичный протез, который благодаря небольшому размеру подходит женщинам и подросткам. 29-летняя Ники Эшвелл (Nicky Ashwell) из Лондона родилась без правой руки и всю жизнь использовала косметический протез, который не имел никакого функционала. Судя по фотографиям, Ники решила не надевать перчатку, имитирующую человеческую кожу.

Протез Bebionic Small весит 390 граммов, способен держать до 45 килограммов и имеет 14 захватов.

В мае 2016 года 26-летний Джеймс Янг получил протез, сделанный похожим на руку Солида Снейка — героя серии игр Metal Gear Solid. Джеймс потерял левую руку, повредил левую ногу и получил другие повреждения, когда попал под поезд, и после больницы получил стандартные протезы, которые сам описал как «уродливые». Сейчас он «обкатывает» очередной прототип искусственной руки.

Фото: dailymail.co.uk

Metal Gear Solid 5

Как видно из примеров выше, современные бионические протезы имеют достаточный для различных бытовых действий функционал. Но есть ещё кое-что, над чем работают учёные: над чувствительностью протезов. Для руки человека важно понимать, как сильно что-то сжать, что именно можно брать в руку, что нельзя. Так и с искусственной кистью — её сильно улучшит возможность чувствовать.

В 2013 году команда из Cleveland Veterans Affairs Medical Center и Case Western Reserve University разработала протез, сенсоры которого напрямую подключены к нервным окончаниям оставшейся части конечности. В этом случае импульсы с датчиков не отличаются от импульсов, которые передаёт собственная рука. Первый доброволец, который испытал на себе устройство, рассказал, что стал чувствовать «пальцами», ладонью и тыльной частью ладони. На видео ниже доброволец пытается оторвать веточку от вишни — сначала с выключенной функцией чувствительности искусственной руки, затем — с включенной. Во втором случае он лучше справляется с этой задачей.

DARPA в середине 2013 года также представила протез с обратной связью в рамках программы RE-NET (Reliable Neural-Interface Technology). Агентство собиралось работать по данному проекту до 2016 года.

В 2015 году 28-летний парализованный пациент с помощью протеза, подключенного к мозгу, стал осязать различные предметы, включая прикосновения к каждому пальцу. Это было сделано в рамках другой программы — Revolutionizing Prosthetics.

В 2014 году Dennis Aabo Sørensen, потерявший руку из-за неосторожного обращения с пиротехническими «игрушками», вызывался добровольцем для испытаний протеза с обратной связью. Электроды протеза подключили к нервной системе человека. Сила сигнала просчитывается компьютером, и Деннис стал ощущать размер, форму и текстуру объекта.

Бионические протезы в России

На российском рынке фактически нет игроков, которые ввели в коммерческое использование бионические протезы рук. Разработку ведёт стартап «Моторика», известный внедрением в федеральную программу обеспечения инвалидов техническими средствами реабилитации тяговых протезов для детей — благодаря этой компании дети получают тяговые протезы за счёт государства. В этом видео — испытания четвёртого прототипа искусственной кисти Stradivary, которую команда планирует начать производить и устанавливать в России в октябре-ноябре 2016 года.

Протез Stradivary — миоэлектрический. Для его установки не требуется хирургическое вмешательство. Поверхностные миодатчики встраиваются в приёмную гильзу, касаются определённых мест на коже в районе мышц, улавливают потенциал при сокращении мышцы и передают сигнал на раскрытие или закрытие кисти.

Основная проблема, с которой встречаются при установке этого вида протезов, это слабо развитые мышцы предплечья. Чтобы избежать этой проблемы, «Моторика» и делает тяговые механические протезы детям — такие протезы не только помогают выполнять различные функции руки, но и служат тренажёром.

По мнению Ильи Чеха, основателя «Моторики», сейчас есть два направления развития бионических протезов.

Первое — это очувствление, то есть обратная связь, позволяющая владельцу протеза получать информацию о качествах объекта, к которому он прикасается устройством.

Второе — вживление всех элементов, включая каркас и датчик. Одна из проблем с протезом Джеймса Янг, получившего руку, похожую на руку из Metal Gear Solid, это необходимость снимать такой протез для сна или принятия душа. В будущем протезы будут скорее напоминать руку главного героя фильма «Я, робот», сыгранного Уиллом Смитом. Не в плане соответствия собственной конечности, а в плане отсутствия необходимости дополнительного ухода.

Сейчас в мире очень популярно недорогое печатное направление в протезировании. К этому привели доступность и распространение 3D-принтеров. Существуют различные проекты, помогающие бесплатно получить тяговые протезы, и схемы, с помощью которых можно доработать и распечатать миоэлектрический протез руки. Илья Чех считает это направление временным: оно будет популярно предстоящие 10-12 лет, пока будут развиваться и масштабироваться вживляемые технологии. 3D-печать сейчас предлагает более низкую стоимость, но существенно проигрывает в качестве. И лучшее качество по сравнению с традиционными технологиями оно скорее всего не даст никогда. Всегда будет дешевле и качественнее отрезать на лазере из листового металла, чем печатать полимерами с помощью принтера. По крайней мере так будет, если мыслить в существующей парадигме развития печати, и не фантазировать на предмет молекулярного построения объектов. Печать создана для максимального сокращения сроков и стоимости прототипирования и R&D.

Каким вы видите будущее протезирования руки человека? Какие способы установки и управления кажутся вам наиболее востребованными через 20-30 лет?

Источник