Как работает бионический протез?
Бионический протез – одна из технологических разработок, позволяющих человеку, потерявшему конечность, вернуться к привычному поведению.
С помощью таких устройств можно взять ложку или зубную щетку, опереться на обе ноги и уверенно смотреть в будущее. Как работают протезы?
Общее описание
Прототипы современных протезов обладали скудным функционалом: некоторые из них могли сгибаться в суставах, но для регулирования действия человеку необходимо было прикладывать усилия, вручную обеспечивать обратный отклик. Говоря иначе, страдала мелкая моторика.
Многие помнят джедая Люка Скайвокера, который в одном из боев с главным врагом всего живого Дартом Вейдером потерял конечность. Герою понадобилось всего несколько минут, чтобы, вместо лишенной руки, обзавестись совершенным протезом. В реалиях о таком приходится мечтать, но ученые делают все возможное, чтобы реализовать даже невероятные идеи.
Модернизированные разработки шагнули настолько вперед, что, кажется, были воплощены прямиком из книги какого-нибудь фантаста. Появились механические аналоги конечностей, которые напрямую соединяются с нервной системой человека.
Чтобы мозг и новая рука или нога «научились» сообщаться, безусловно, требуется время. По истечении какого-то периода умное устройство подстраивается под каждого владельца индивидуально.
По факту адаптации для обладателя таким совершенством не составляет труда осуществлять задачи: шнуровать ботинки, готовить пищу, совершать прогулки и заниматься спортом.
На перехват
Внедряемые технологии подразумевают размещение нескольких электродов на культе. Чем передатчиков больше, тем выше выработка сигналов, лучше анализ и управляемость. Чем мощнее конструктивная часть, тем сложнее программное обеспечение встроенного в устройство микрокомпьютера, но зато растет многофункциональность.
Рассмотреть, как работает протез руки, можно на биологическом примере. Когда человек хочет пошевелить конечностью, мозг формирует соответствующий сигнал и с помощью нервов направляет его в мышцы. Если руки нет, сигнал все равно генерируется, но отправляется «в никуда». Многочисленные научные группы стремятся научиться перехватывать такие команды для передачи в протез, который по мере обработки преобразует информацию в движение.
Активными разработчиками в этом направлении считаются американские университеты – Хьюстонский и им. Райса. Их сотрудникам экспериментальным путем удалось считать нервные импульсы с помощью электроэнцефалографии. Для результата прибор ЭЭГ подключали к коже головы.
Однако в ходе эксперимента научные деятели столкнулись с проблемой большого потока информации, улавливаемой электродами. Задача на ближайшее будущее – отделить нужные импульсы, то есть те, которые побуждают движение конечностей. Пока что эта процедура трудновыполнима и выглядит как поиск затерявшейся в стоге сена иглы.
А вот научный персонал гетеборгского университета Чалмерса генерировал другие идеи на тему и решил вести работы в альтернативном направлении. Для реализации задуманного ученые договорились о совместных опытах с коллегами из консорциума NEBIAS.
Исследователи пришли к выводу, что им удастся совершить прорыв, если не использовать смешанные сигналы на поверхности, а задействовать электроды, внедряемые внутрь кожного покрова. Основная цель мероприятия – избавиться от зашумления и попытаться отсеять ненужные импульсы. Такое направление мысли впечатляет, но не исчерпывает проблему: каждый из нас обладает индивидуальными физиологическими параметрами.
По этой причине непросто предугадать, в какой области расположение электрода станет релевантным.
Дополнительное обучение роботов
Считывание электрических сигналов с части конечности, остающейся после ампутации — перспективная методика, с точки зрения управления. Если осуществляется электромиография.
Благодаря серийному производству тысячи людей со всего мира уже смогли познать, как работает бионический протез из этой серии. Технологии развились, а дальше ход за человеком: обучиться корректной работе с устройством – занятие, которое для некоторых вытекает в проблему.
Поскольку людям трудно освоить новые навыки, представители лаборатории кибернетических систем Московского физико-технического института решили пойти от обратного и возложить задачу не на пользователя, а на сам протез – прописать программное обеспечение таким образом, чтобы он правильно воспринимал команды головного мозга.
Чтобы приблизить затею к реальности, исследователи создают устройства с несколькими электродами. Уже сегодня результаты переворачивают прежнее мировоззрение: алгоритмы самообучения роботов усовершенствуются, а по мере этого процесса растет функциональная часть. Компьютеры обрабатывают все больше сигналов, а соответственно повышается продуктивность устройств.
Выбрать оборудование
В рамках экспериментальной части ученым удалось добиться, чтобы человек с ампутированной конечностью практически без труда и с высокой точностью мог работать с мышкой компьютера. В ходе исследования один из участников смог перемещать курсор в нужное место на мониторе.
Опыт оказался более чем успешным. В связи с этим исследователи планируют задействовать ресурсы, чтобы в будущем улучшить распознавание сигналов и нарастить число комбинаций действий.
Как появились умные протезы
Поблагодарить за идею создания «живых» протезов человечество может писателей-фантастов, в произведениях которых герои, по сюжету терявшие конечности, продолжали следовать своим миссиям. На выручку им приходили механические помощники (достаточно вспомнить всеми любимого Терминатора).
Говоря о прототипах современных протезов, кстати упомянуть их деревянных предшественников. Еще в 19 веке существовали и практиковались такие конечности, которые крепились к культе, а на сгибе имели металлический шар. Так искусственная рука или нога получалась подвижной.
В 20 веке ведущие бионики, медики, инженеры и электроники объединили усилия, а на смену примитивным конструкциям пришли бионические протезы. Хоть ученые со всех материков и спорят о лидерстве в этом направлении, справедливо присудить лавры немецкому городу Лейпцинг, где в недалеком 2010г. впервые была продемонстрирована новинка индустрии.
После этого события разработчики выпустили много протезов ног, рук и отдельных частей конечностей – стоп, кистей… В открытом доступе оказались даже аналоги собачьих лап.
Принцип работы бионического протеза
Ампутация конечности может понадобиться из-за болезни или травмы. Часть тела невозможно сохранить, когда нарушается трофика, отмирают ткани и при других серьезных нарушениях. Решение об операции вытекает из необходимости сохранить человеческую жизнь.
Во время оперативного вмешательства хирург, удаляя конечность полностью или частично, определяет доступный фрагмент двигательного нерва и выводит его на сохранившую функции мышцу. Благодаря этому после заживления не нарушается процесс передачи импульсов от головного мозга к конечности, даже в условиях отсутствия последней. Бионические протезы работают с помощью программы, способной улавливать импульс, обрабатывать информацию и превращать ее в движение.
Многозадачность «умных» устройств заведомо прописана на языке программирования: взять ложку, нажать на кнопку и так далее. Несмотря на сжатый потенциал, даже такие простые движения можно назвать большим прогрессом.
Как действует импульс от мозга к протезу
Большинство движений человек осуществляет автоматически. Особенно это касается тех, которые повторяются регулярно и заложены в мышечной памяти: чистка зубов, умывание, приседание, подъем и другие. Можно подумать, что тело само по себе знает, что нужно делать, но в действительности все выглядит по-другому: мысль – первоисточник действия.
В момент формулировки мыслительной команды мозг продуцирует импульс, а после с помощью нейронов направляет информационный поток в мышцы, которые необходимо задействовать для реализации процесса. Человек не успевает проследить всю последовательную цепочку таких манипуляций, поскольку они происходят практически мгновенно.
С биологической точки зрения, трудностей в связи мозг-мышца быть не может, но ситуация с протезом глубже и сложнее. Первым сигнал о требуемом движении получает электрод, взаимодействующий в тесном контакте с выведенным на мышцу нервом. После этого полученная информация подвергается анализу в процессоре, встроенном внутри устройства.
Реакция происходит быстро, но в оперативности выполнения действий протез уступает живой конечности.
Этапы протезирования
Моделирование экзартикуляции под будущий протез начинается еще в операционной. С первых дней после ампутации с пациентом взаимодействует протезист, который анализирует состояние конечности и помогает подобрать удачные сочетания деталей. Перед тем как применить протез, с культей требуется работать: ее не только формируют, но и тренируют.
Благодаря антиаллергенным мягким материалам в местах соприкасаний кожи и протеза не бывает потертостей. Каждое изделие изготавливается индивидуально, в зависимости от потребностей.
Основная задача – восстановить максимальное количество утраченных функций и вернуть конечности работоспособность.
Загрузка...
