Беседы о бионике

Беседа третья. Биотоки в упряжке

Представьте себе, что по рельсам модели кольцевой железной дороги бойко бегает маленький локомотивчик с вагончиками. Он меняет скорость и направление движения, повинуясь в буквальном смысле слова мановению руки сидящего в кресле и лукаво улыбающегося человека. Люди стоят вокруг модели как зачарованные. Им кажется, что из сказки в жизнь пришел волшебник и удивляет всех присутствующих своим могуществом. Но вот легким взмахом кисти "волшебник" остановил игрушечный поезд, и вы видите, что из-под эластичной манжеты, надетой на правую руку "чародея", откровенно свисают провода, которые тянутся к двум небольшим коробочкам, положенным на пол, а оттуда — к железной дороге...

Что же это такое? Как удается человеку лишь одним мановением руки, не прикасаясь к паровозу, останавливать и пускать в ход, менять скорости и направление его движения.

Оказывается, когда человек двигает рукой или ногой, то в его мышцах возникают биотоки. Да, да, те самые биотоки, действие которых обнаружил еще в конце XVIII века известный итальянский физиолог Луиджи Гальвани. Элементарным источником биотоков, своеобразным биогенератором служит живая клетка. Человек может по своему желанию вызывать появление биотоков в мышце и регулировать их величину, даже не производя движения. Достаточно лишь мысленного приказа, т. е. принятия решения — пусть мышцы руки сократятся. "Депеша" с распоряжением побежит по нервному волокну от "командного пункта" к исполнительному органу. Весь процесс протекает почти мгновенно. Но что значит "почти"? Биотоки, возникающие при работе мышц, — это разряды, длительность которых равняется тысячным долям секунды, а амплитуда — тысячным долям вольта.

Возникающие в мышцах биопотенциалы нетрудно снять простыми электродами и усилить. Это и сделал автор модели железной дороги, старший инженер Центрального научно-исследовательского института протезирования и протезостроения Е. Полян. Для управления локомотивчиком он создал устройство, в котором использовались два сигнала: один, снимаемый с мышц, сгибающих кисть, другой — с мышц, которые ее разгибают. Почему два? Один из них преобразуется в команду "передний ход", другой — в команду "задний ход". Вот, пожалуй, и весь "секрет" описанного эксперимента, если не касаться трудностей защиты слабенького начального импульса от шумовых помех и других "подводных камней", которые пришлось обходить энтузиасту биоточного управления.

Мозг, командуя движениями руки, продолжает посылать к мышцам биотоки — слабые электрические сигналы — и тогда, когда часть руки ампутирована. Но в этом случае импульсы, поступая в нервные окончания культи и возбуждая усеченные мышцы, дают лишь ощущение тех или иных движений. Реализовать их мышцы не могут: исполнительный . механизм — часть руки с кистью — отсутствует. При этом, чем отчетливее и острее эти ощущения, тем больше сосредоточивается на них внимание инвалида. Утрата руки трагична. Пропадает непревзойденный, виртуознейший инструмент природы, способный создавать бессмертные полотна, ваять и строить, извлекать из неодушевленного рояля чарующую музыку Чайковского, умеющий водить трактор, управлять любым станком и космическим кораблем. И дело не только в том, что человек уже не может стать ни художником, ни скульптором, ни музыкантом, ни каменщиком, ни космонавтом. Теряется нечто большее: созидательные отделы мозга заходят в тупик. Как бы ни пылало и ни буйствовало воображение, как бы ни велика была сила воли и мощь таланта, ничто уже не может вызвать к жизни картины Рембрандта или Репина, скульптурные творения Родена или Коненкова, музыку Паганини или Глинки. Именно поэтому, начиная с античных времен и до наших дней, человеческая изобретательская мысль с неотступной страстностью и упорством ищет способы вернуть руку тем, кто ее лишился.

История протезирования знает немало попыток непревзойденных мастеров точной механики воссоздать подвижную руку, активный протез. В кожаных перчатках, начиненных множеством шестеренок и рычажков, воплощалась логика французских геометров и волшебство швейцарских умельцев-часовщиков. Но конструкции оставались сложными узлами мертвого металла: слабые остатки мышц неспособны были вдохнуть жизнь в стальное подобие кисти...

И вот поздним осенним вечером в октябре 1956 г. в лабораторию к известному советскому ученому, специалисту по теории машин и автоматов А. Кобринскому пришел специалист по технике протезирования Я. Якобсон. Гость рассказал о механических протезах предплечья, объяснил принцип их действия, сетовал, что механические протезы с большим трудом воспроизводят даже простейшие движения. Под конец беседы у ученых возникла идея использовать для управления протезом руки... биотоки.

Как известно, путь от идеи до ее реализации нелегок. Нужно было всесторонне исследовать проблему биоэлектрического протезирования, провести огромную теоретическую и экспериментальную работу. Все исследования были поставлены широко. Помимо А. Кобринского и Я. Якобсона за разработку принципиально нового типа протеза взялись многие сотрудники Центрального научно-исследовательского института протезирования и протезостроения во главе с его директором профессором Б. Ильиным-Поповым.

Первая модель искусственной руки, управляемой биопотенциалами, была изготовлена в 1957 г. Она имела электромагнитный привод и довольно громоздкую систему усиления и преобразования электрических сигналов, снимаемых с какой-либо мышцы. Человеку, использующему такую руку, пришлось бы все время держаться близ штепсельных розеток и носить на себе большой ламповый усилитель. Кроме того, искусственная рука воспринимала только общие сигналы типа "сжать пальцы", "разжать пальцы", а не сигналы о том с какой силой это делать. Попытка поздороваться с человеком, обладающим такой "железной рукой", неизбежно привела бы к травме. Однако при всех своих недостатках первая модель биоманипулятора позволила решить сложнейшую инженерную проблему, о которой не решались писать даже самые отчаянные фантасты: необычная система включалась и выключалась только волей, только невысказанным желанием человека. Конструкторы нашли верный путь обработки и посылки биопотенциалов к исполнительному органу — искусственной руке.

Постепенно модель биоманипулятора совершенствовалась. И вот летом 1960 г. участники I Международного конгресса Федерации по автоматическому управлению, происходившего в Москве, стали очевидцами такой совершенно необычной картины. Пятнадцатилетний мальчик, не имеющий кисти руки, взял искусственной рукой кусок мела и написал на доске ясно и четко: "Привет участникам конгресса!" Кисть протеза оказалась живой. Она сжималась и разжималась. Ее движениями управляли мышечные биотоки. Так впервые была реализована родившаяся на стыке физиологии и автоматики идея управления техническим устройством с помощью биоэлектрических сигналов, которые вырабатываются в живом организме.

Любопытно, что некоторые зарубежные ученые, не принимавшие участия в работе этого конгресса, прочитав сообщение о демонстрации созданной советскими специалистами биоруки, отнеслись к нему с недоверием. В частности, один из американских ученых в 1961 г. писал: "Русские заявляют, что они располагают устройством, позволяющим управлять действиями искусственной руки с помощью мыслей. Это фантастическая система..." Но если вы заглянете и книгу Норберта Винера "Бог и Голем", увидевшую свет уже после его смерти, то в ней вы прочитаете следующее:

Рис 1. Блок-схема биоэлектрического протеза предплечья (по А. Бутко)

Да, искусственная рука, созданная советскими учеными, вернула к производительному труду уже сотни людей как в СССР, так и за рубежом. В благодарных письмах они называют свои протезы "необходимейшими частями тела".

...Десять лет назад, в новогоднюю ночь, когда в Риме затевались веселые гулянья и вспыхивали огни фейерверков, житель одной из тихих улочек Вечного города, сын пекаря Гоффредо Дзампетти мастерил петарду. Но парню не повезло — петарда взорвалась в его руках, не взлетев в воздух. Гоффредо лишился обеих рук. Начались дорогостоящие мытарства по итальянским клиникам, госпиталям и ортопедическим институтам. Родители хотели дать сыну хотя бы какое-то подобие рук. Но все было напрасно. Ему выдали протезы, но они оказались бесполезными: Гоффредо разжимал ладонь, а сжать ее не мог, он брал лист бумаги, но тот выпадал из непослушных пальцев. Самые простые движения стоили многих трудных и чаще всего тщетных усилий...

Но вот три года назад Дзампетти прочел в "Унита", газете Итальянской коммунистической партии, заметку о своем соотечественнике Энрико Бертини. Там описывалось, как советские врачи помогли Энрико, потерявшему на фабрике обе руки, вернуться к нормальной жизни и работе. Гоффредо решил еще раз попытать счастья. Он написал в Советский Союз, и его вызвали в Ленинград, в Научно-исследовательский институт протезирования.

Через два месяца молодому итальянцу изготовили искусственные руки и научили его пользоваться ими. В письме, отправленном на родину, Гоффредо писал:

Недавно ручной протез с биоэлектрическим управлением пришел на помощь "талидомидным" детям.

Вы, вероятно, помните трагические сообщения, опубликованные в "Известиях" №№ 184 и 282 за 1962 г, В них описывались последствия применения "тали-домида", "неироседина" и других "успокоительных средств", одно название которых заставляет и по сей день вздрагивать от ужаса многих матерей Западной Европы. Выпущенные в широкую продажу недобросовестными дельцами — фармацевтами, эти "лекарства" благодаря оглушительной рекламе быстро получили популярность как снотворное средство, специально предназначенное для беременных женщин. Снадобье оказалось поистине дьявольским: дети рождались уродами, без рук или без ног, с парализованными или неразвившимися конечностями, с искривленным позвоночником.

Вот для этих "талидомидных" детей руководители специального фонда, учрежденного в Англии, закупили в СССР лицензию на производство оригинальной конструкции биоэлектрического протеза рук. Советское изобретение оправдало надежды английских врачей. Доктор Реджинальд Джонс, глава делегации английских медиков, сказал: "Русские достигли огромного прогресса в электронной физиологии..."

Приобрела лицензию на советскую биоэлектрическую руку и Канада. Ведутся переговоры и с другими странами. Исключительно высокую оценку получило недавно советское изобретение на 50-м конгрессе итальянских травматологов. Английский писатель Джеймс Олдридж назвал это изобретение уроком гуманизма, который оставит глубокий след во многих сердцах.

Обладатель искусственной руки пользуется ею очень просто, для этого не нужно никаких неестественных усилий: легкое сокращение одной мышцы культи заставляет кисть сжаться, сокращение другой раскрывает ее. Протез надежно работает при любом положении руки. Биоэлектрическая рука не позволяет пока заниматься тяжелой атлетикой и игрой на рояле, но с ее помощью можно подымать тяжести, необходимые в быту, пользоваться иголкой и пинцетом, работать напильником, ножницами, пилой, молотком, зубилом, отверткой, печатать на пишущей машинке, писать, чертить, рисовать, пользоваться тонким измерительным инструментом, счетной линейкой, арифмометром, управлять мотоциклом и автомобилем, ремонтировать радиоаппаратуру и т. д.

Однако, как ни значительны успехи советских ученых и инженеров в создании так называемых активных протезов, изобретатели этой чудесной системы недовольны ее возможностями. Их не устраивает то, что человек не чувствует своей руки, а приобретение навыков в ее использовании и контроль за ним совершаются только посредством обратной связи через зрение. Зрение же наше не приспособлено для контроля быстро изменяющихся ситуаций. Кроме того, наш зрительный аппарат и так сильно загружен и добавление к его нагрузке функций контроля за всеми действиями протеза весьма нежелательно. Таким образом, для того чтобы человек мог при помощи биоэлектрической руки совершать очень тонкие, чрезвычайно сложные и быстрые движения, выполнять комбинации самых различных манипуляций, протез должен быть наделен эффективными искусственными средствами обратной связи, близкими к тем, которыми обладает живая рука. Другими словами, неживую, искусственную руку нужно "оживить", "очувствить". И эту, казалось бы, фантастическую идею советские ученые решили осуществить. Первый шаг к "оживлению" искусственных рук уже сделан.

Недавно на конференции по бионике, проходившей в Баку, впервые было сообщено, что за два года в Центральном научно-исследовательском институте протезирования и протезостроения построен макет руки с чувствительными к давлению датчиками, укрепленными на кончиках пальцев. Эти датчики сделаны из токопроводящей резины или тонкой проволоки. Под влиянием усилия на датчики сигналы от них изменяют частоту вибрации зуммера, который укреплен на руке вблизи нерва, идущего в мозг.

Новый биоэлектрический протез руки, посылающий сигналы о силе сжатия пальцев в нервную систему, разработал инженер Анатолий Шнейдер. Десять инвалидов, пользовавшихся образцом уникальной "биоруки", за два-три сеанса приобретали ясное ощущение давления, приложенного к кончикам пальцев. При изменении усилия до трех килограммов разница в усилии, равная 100 граммам, уже отчетливо ощущалась!

Для передачи человеку информации о совершаемых действиях сейчас пытаются использовать в цепи обратной связи различные виды чувствительности, например вибрационную. Это позволяет выполнять строго дозированные по силе и координации двигательные акты. В Югославии создана модель протеза кисти, в которой чувствительные тензометрические элементы выполняют роль тактильного анализатора и управляют сервомотором, осуществляющим движение схватывания. И, наконец, еще одна новинка. В последнее время начинают использовать различные логические и вычислительные устройства в блоке преобразования сигналов. В протезе имеются программы различных движений, ряд сложных движений может осуществляться от одной команды.

Рис. 2. Проект разработанного в США костюма 'атомного пехотинца' — 'сервосолдата'

Судя по результатам многочисленных экспериментов, использование кожно-вибрационных и электрокожных раздражений в искусственных системах обратной связи оказывается, по-видимому, наиболее перспективным, ибо получение таких раздражений не представляет труда. Однако для уточнения параметров сигналов, а также конструкции воздействующих элементов необходимо провести еще множество экспериментов, большую научно-исследовательскую работу. И она ведется, ведется успешно. Бионики и инженеры, биологи и врачи надеются, что в будущем удастся создать такой биоэлектрический протез, который сможет чувствовать температуру, твердость и качество поверхности удерживаемого предмета. Тогда можно будет действовать искусственной рукой, как естественной, не глядя на нее. Она будет четко различать горячее и холодное, влажное и сухое, гладкое и шероховатое.

Такие искусственные руки могут быть полезны не только инвалидам, лишенным одной или обеих рук, но и совершенно здоровым людям. Ничто не мешает, например, использовать искусственную руку в качестве третьей, четвертой, пятой и шестой руки, если этого требует выполняемая работа. "Дополнительные руки", подсоединенные "в параллель" с живыми и управляемые биотоками, будут дружно помогать человеку, сделают его многоруким. Несмотря на слабость биотоков, искусственную руку можно наделить богатырской силой. Недавно в одной из лабораторий США создали сверхмощного робота высотой свыше 5 м, так сказать "Голем XX века,". Все движения этого великана управляются биоэлектрическими импульсами человека, помещенного внутри него. Человек делает движение, нужное для того, чтобы выдернуть, скажем, кол из земли, — и робот спокойно выдергивает дерево с корнем. "Мы хотели в этом агрегате воплотить все функции человека, умноженные на мощь механизмов", — заявил один из его конструкторов. А теперь посмотрите на рис. 2. Перед вами одна из последних новинок Пентагона — костюм, который, по мнению военных специалистов США, наиболее подходит для пехотинца, действующего в условиях термоядерной войны. Солдат похож на робота: тяжелый шлем, массивный панцирь, мощная броня, стальные башмаки. Трудно сказать, сколько весит этот "наряд", но человек, которого апологеты мировой войны решили облачить в такой броневой скафандр, несомненно, должен обладать сверхпрочным черепом, шеей и руками гориллы. А как же будет передвигаться это бронированное чудовище? Как сможет солдат в таком костюме вести бой, стрелять, драться в рукопашной схватке, преодолевать препятствия? Ведь часто исход боя, как известно, решают доли секунды...

Ответ на все эти вопросы должна дать одна из крупнейших американских фирм, занимающаяся по заданию Пентагона созданием "солдат-роботов". По замыслу военных деятелей США, бронированный скафандр должен приводиться в движение электромоторами, на которые будут воздействовать биоимпульсы мозга "атомного пехотинца". Такой "сервосолдат", по мнению представителей Пентагона, легко сможет один нести тяжелое снаряжение и передвигаться бегом гораздо быстрее, чем обычные люди. Атомный пехотинец сможет также приводить в движение и летательные аппараты на мышечной энергии.

Особенно большой интерес к биоэлектрическим системам проявляют ныне специалисты, занимающиеся решением проблемы жизнедеятельности человека в космосе. Как известно, связующим звеном между человеком и машиной служит система управления космическим кораблем. Эта система — средство интеграции возможностей человека с его способностями. Между тем во время космического полета человек подвергается воздействию больших перегрузок. Так, при взлете и посадке его тело приобретает тяжесть свинца. В этих условиях довольно затруднительно пользоваться ручным управлением, так как приходится преодолевать дополнительный вес рук, возникающий вследствие перегрузок. Одна из американских фирм провела успешные эксперименты по управлению "механической" рукой с помощью биотоков. На руку космонавта надевается специальная "перчатка", которая приводится в действие области и т. д. Между тем в системе "человек — машина" так же широко и эффективно можно использовать и биотоки других мышц человека, например лицевых.

Простите, может сказать человек, я не совсем понимаю, как это будет выглядеть на практике? Да и зачем вообще надо "впрягать" мышцы лица в систему "человек — машина"? Чтобы развеять всякие сомнения на сей счет и убедиться в целесообразности такой постановки задачи, рассмотрим работу такой широко распространенной системы, как "человек — автомобиль".

Общеизвестно, что скорости современных автомобилей непрерывно увеличиваются, тогда как скорость реакции людей, сидящих за рулем, остается неизменной; она одинакова при скорости 100, 200, 300 и более километров в час. Данные статистики показывают, что большая часть автомобильных катастроф происходит из-за недостаточно быстрой реакции водителей — они не успевают вовремя затормозить, и в результате — несчастный случай. Вследствие запоздалой реакции шоферов в моменты так называемых "критических ситуаций" только в Японии за 1966 г. под колесами автомобилей погибло более 10 000 человек, а сотни тысяч получили ранения. Как же быть? Ездить медленнее? Снижать скорость автомобилей? Это невозможно. Все идет, напротив, к увеличению скорости. А нельзя ли свести до минимума запаздывание реакции шофера?

Время, которое проходит с момента решения тормозить и до собственно торможения — время реакции, можно разбить на три периода:

1) время, требуемое для передачи нервных импульсов с коры головного мозга на нервные окончания мышц ноги (при скорости импульсов 100 м/сек оно равно примерно 0,15 сек);

2) время, требуемое для перемещения ноги с педали акселератора на педаль тормоза;

3) время, требуемое для нажатия на рычаг тормоза (и остановки автомобиля).

Суммарная продолжительность всех трех перечисленных периодов, как показали исследования, в среднем составляет 0,4 — 0,5 сек. За это время при скорости 100 км/час машина проходит приблизительно 13,6 м. При такой скорости между моментом восприятия мозгом опасной ситуации и моментом торможения, т. е. за 0,5 сек, шофер может сбить неожиданно появившегося на шоссе человека или свалить машину в кювет, если не дастся объехать вдруг возникшее препятствие.

Таким образом, задача заключается в том, чтобы сократить промежуток времени между поступлением импульсов в головной мозг, их трансформацией в командные сигналы и обратным поступлением к исполнительному органу для выполнения необходимых движений. Поскольку скорость передачи нервного импульса мы увеличить не можем, остается одно: резко уменьшить проходимый им путь по цепи управления, состоящей (в общем случае ручного или ножного управления) из следующих звеньев: глаз → нервный канал → двигательный центр коры головного мозга → нервный канал → мышца → конечность → исполнительный орган → объект. Очевидно, наибольшего эффекта можно добиться, исключив из этой цепи некоторые наиболее инерционные и ненадежные звенья. Такими звеньями в нашем примере являются нога и мышца ноги. Их можно исключить из цепи управления либо использовав в качестве управляющего сигнала не биопотенциал мышцы конечности, а сигналы-команды, поступающие к ней от мозга, либо возложив функции передачи приказа от головного мозга прямо на тормоз на какую-нибудь мышцу, расположенную в непосредственной близости от мозговых центров и обладающую малой массой (чем меньше масса мышцы, тем быстрее она срабатывает). Всем последним условиям как нельзя лучше удовлетворяют мышцы бровей. Их и решил использовать в недавно созданной опытной модели вспомогательной тормозной системы сотрудник Люблянского университета инженер Водовник.

"Он нахмурил брови, и автомобиль остановился" — так примерно начал бы свой рассказ об этом изобретении писатель-фантаст. Однако в сконструированной инженером Водовником опытной модели вспомогательной тормозной системы нет ничего фантастического. Устроена она и работает так. К обычным очкам прикреплены стальные пружинки, в концы которых вделаны серебряные контакты, прижатые к надбровным дугам (в результате этого сокращается первый период реакции). Проводнички от контактов соединены с обычным дифференциальным усилителем на транзисторах.

Выходной сигнал с усилителя подается на мультивибратор, в цепи которого стоит быстродействующее реле. Последнее передает возбуждение контактору мощного электромагнита, установленного на педали тормоза автомобиля. В момент возникновения опасной ситуации водителю достаточно нахмурить брови, и машина остановится: мгновенно включается электромагнитный тормоз (параллельно шофер действует и обычным ножным тормозом). Через 0,5 сек электромагнитный тормоз отключается и вновь готов к действию.

Как показали испытания опытной модели, такая система позволяет сократить время торможения с 0,5 до 0,15 сек, т. е. на 0,35 сек, что при скорости 100 км/час равносильно сокращению тормозного пути примерно на 9,7 м. Этого часто достаточно для предотвращения несчастного случая. В дальнейшем, совершенствуя электрическую систему, инженер Водовник надеется, что ему удастся еще больше сократить время торможения автомобиля.

Теперь представьте себе современный реактивный сверхзвуковой самолет. Это чрезвычайно сложная машина. В полете летчик должен непрерывно следить за положением стрелок десятков приборов, расположенных перед ним на щите, время от времени переключать десятки тумблеров, перемещать многочисленные рычаги. И все это необходимо выполнять в весьма неудобных условиях, обусловленных жесткой экономией места в кабине пилота. При таких обстоятельствах на лицо летчика можно наложить несколько миниатюрных электродов, позволяющих улавливать малейшую электрическую активность мышц лица. Изменяя мимику, летчик может дать машине необходимую в данный момент "команду" в виде биоэлектрического сигнала. Последний, после предварительного усиления, изменит с помощью соответствующего электромеханического устройства положение управляющих ручек и кнопок. Контроль за биотоками своих мышц летчик будет осуществлять визуально, по показаниям приборов. Ведь все они служат органами обратной связи, помогающими летчику "чувствовать" машину, ее состояние и то, как она выполняет его приказы.

Разумеется, для создания систем, позволяющих с помощью биотоков лицевых мышц быстро, легко и надежно управлять автомобилем или самолетом, потребуется затратить еще немало времени и труда. Новая система инженера Водовника, например, пока еще далека от совершенства и требует ряда доработок. В частности, выбранные изобретателем мышцы бровей могут производить движения, не зависящие от воли человека, что, конечно, значительно усложняет дело. Кроме того, сложно отрегулировать силу нажатия на тормозную педаль в зависимости от состояния дороги (сухая или мокрая, ровная или ухабистая). Но все эти трудности, в конце концов, преодолимы.

После того, как будут созданы новые системы биоуправления автомобилями и самолетами, шоферы и летчики должны будут пройти специальную тренировку, которая будет заключаться в приобретении навыков почти автоматически посылать определенными движениями мышц лица нужный биоэлектрический сигнал-команду определенному агрегату или механизму автомашины или самолета. Но это не так уж сложно, если учесть уже накопившийся опыт обучения человека управлению биоманипуляторами. Ведь в принципе это одно и то же.

В системе "человек — космический корабль" к космонавту предъявляются более, серьезные требования, чем в системах "шофер — автомобиль", "летчик — самолет". Дело в том, что при "объединении" человека и космического корабля в единую систему иногда могут возникать ситуации, когда руки и ноги космонавта заняты или по каким-либо другим причинам не могут управлять тем или иным исполнительным органом. В некоторых случаях задача управления космическим кораблем вообще может превзойти способности человека. Поскольку психофизиологические возможности человека ограничены и в отдельных случаях это может послужить причиной нарушения нормального и точного функционирования системы "космонавт — корабль", естественно, необходимы поиски принципиально новых методов и средств управления космическим кораблем. Очевидно, при решении этой актуальнейшей проблемы неоценимую услугу могла бы оказать новая оптимальная система биоэлектрического управления, т. е. такая система, которая предъявляла бы минимальные требования к космонавту и одновременно позволяла бы наиболее эффективно воздействовать на корабль.

Но для превращения космонавта в "оптимального" оператора, т. е. для значительного расширения его возможностей как звена системы управления, необходимо преодолеть ряд трудностей. Одним из важнейших факторов, ограничивающих возможность создания оптимальной системы управления космическим кораблем, опять-таки является промежуток времени между поступлением информационных импульсов в головной мозг, их трансформацией в командные сигналы и поступлением в исполнительные органы — конечности — для выполнения необходимых движений. А нельзя ли добиться того, чтобы этот фактор не оказывал существенного влияния на выполнение космонавтом действий, связанных с управлением кораблем? Оказывается можно, если установить прямую связь между глазом, вернее, мышцей глазного яблока человека и системой управления. Работы в этом направлении уже ведутся. Изучаются возможности создания прибора, который мог бы преобразовывать движения глазного яблока в импульсы, командующие системой управления космическим кораблем.

Поворот глазного яблока можно измерить электро-окулографическим способом. На выходе при этом мы получаем электрический сигнал. По данным А. Лаурингсона, повороту глаза — на 1° соответствует изменение электрических потенциалов глазодвигательных мышц, варьирующее от 10 до 40 мкв. Линейная зависимость между углом поворота и амплитудой снимаемых биопотенциалов сохраняется при углах поворота, не превышающих 30°. Таким образом, глазодвигательные мышцы обладают очень удобной для управления характеристикой: их электрическая активность прямо пропорциональна углу поворота. Возникающие при повороте глазного яблока биопотенциалы можно усилить и передать на соответствующие сервомеханизмы.

В будущем цепь "глазного" биоэлектрического управления будет выглядеть так: глаз → нервный канал → мозг → нервный канал → глазодвигательные мышцы → исполнительный орган → объект. Такая система имеет ряд существенных преимуществ перед ручной системой управления. Во-первых, в ней не будет такого малонадежного и инерционного звена, как конечность. Во-вторых, два других звена (нервный канал, идущий от мозга к мышце конечности, и сама мышца конечности) будут заменены иными. Следовательно, "глазная" биоэлектрическая система будет малоинерционной, сможет работать при более высоких частотах, а главное — здесь фактор времени не будет оказывать существенного влияния на выполнение космонавтом действий, связанных с управлением кораблем. Короче, создание такой системы во многом упростит и облегчит управление аэрокосмическими объектами.

Среди ведущихся в настоящее время разработок систем управления с помощью биотоков мышц следует отметить новое направление, в котором исследуется возможность использования чувствительных нервных окончаний, расположенных на поверхности тела человека, и нетипичных мышечных реакций в качестве элементов управляющей системы. Так, например, если космонавт под воздействием больших перегрузок, из-за усталости или ранения окажется не в состоянии пользоваться руками или ногами и совершать нормальные движения для управления кораблем или если он почему-либо потеряет способность наблюдать за курсом, информация об ориентации может быть подведена к нему через чувствительные к давлению нервные окончания, которые имеются на поверхности тела. Хотя разрешающая способность этих нервных окончаний значительно меньше, чем у других органов чувств (таких, как глаза и уши), их тем не менее можно натренировать так, чтобы они реагировали характерным образом на подводимую информацию. Тогда диффузная чувствительность нервных окончаний на поверхности грудной клетки может позволить космонавту маневрировать, например, напрягая мышцы плеча, что вполне достаточно для управления и пилотирования. Напрягаемые мышцы будут генерировать биопотенциалы, которые легко обнаруживаются с помощью электродов, размещенных на коже; эти потенциалы можно преобразовать для использования в системах управления.

А нельзя ли командовать машиной, техническим устройством, не двигая рукой, не напрягая мышц, не произнося ни слова?

Вот недавние опыты. Человеку, на голову которого надет прибор, отводящий биотоки мозга, предлагают совершить какое-то сложное действие. Допустим, сидящий у пульта самолета летчик должен включить одновременно пятнадцать приборов. Он должен сделать это через минуту. И мозг человека сосредоточивается на поставленной задаче. Его энцефалограмма показала бы сейчас возбуждение большее, чем при самом действии, — это волны ожидания, волны намерения. Но энцефалограмма не снимается, биотоки отведены не на энцефалограф, а к приборам, которые должны быть включены. И они включаются. Их включают биотоки мозга!

Итак, биоэлектрический метод открывает принципиальную возможность прямой передачи командных сигналов от человека к техническим системам, т. е. непосредственно от центральной нервной системы к органам управления, точно так же, как происходит управление движением конечностей. Человеку отныне не обязательны движения, чтобы властвовать над машиной, ему нужно только сосредоточиться, только пожелать, и узлы неодушевленной материи как бы в гипнотическом трансе уступят его немому и невысказанному желанию.

— Передача машине сигналов, мысленных распоряжений — вот что ускорит весь производственный процесс, — говорит академик И. И. Артоболевский.

Об этом же писал основоположник кибернетики Норберт Винер в своем последнем труде "Бог и Голем". Размышляя о перспективах советских работ по биоэлектрическому управлению, Н. Винер, заглядывая в недалекое будущее, говорил о возможности найти совершенно новый, непосредственный контакт человека с машиной, о создании систем, где невиданные механические конструкции будут подчиняться мозгу, как мышцы живой руки. И то, что сегодня уже создано учеными, позволяет считать такие прогнозы вполне реальными. Вспомните "секрет" управления моделью электропоезда. Стоит человеку лишь подумать о том, чтобы поезд двинулся с места, и он послушно пускается в путь. А когда в мыслях ему приказывают: "Стоп!", поезд останавливается.

Пока модель кольцевой электрической железной дороги с автоматически управляемым локомотивчиком — это только занятная игрушка. Но так же, как ребенок с годами растет, набирает силы и мужает, так и модель электропоезда со временем повзрослеет, усовершенствуется. И когда инженеры и бионики выдадут ей аттестат зрелости, новая система воздействия человека на механизмы намного облегчит управление сложными машинами: тракторами, прокатными станами, эскаваторами, станками, кранами и т. п. Между ними и человеком установится непосредственная "живая" связь. Образно говоря, технические системы будут управляться "невысказанными желаниями" человека. Уже сегодня в ряде специальных журналов можно найти немало статей инженеров, биоников, электрофизиологов, занимающихся разработкой новых биоэлектрических систем, в которых говорится о сверхскоростных самолетах, выполняющих в воздухе на различных высотах сложнейшие эволюции, повинуясь мысленному приказу летчика. В пилотской кабине такого самолета просторно. Здесь нет привычных нам штурвалов, многочисленных рычагов, ручек и кнопок. Летчик сидит в кресле свободно, его мышцы не напряжены. Здесь работает мысль — командир и повелитель воздушного корабля.

Некоторые ученые идут дальше, они считают, что летчику не обязательно нужно будет находиться в кабине самолета, он может оставаться на земле, используя для биоуправления воздушным кораблем радио и телевизионную связь.

Все это, конечно, не так просто, как может показаться на первый взгляд. Все это пока в будущем. Но первые шаги на пути к этому чудесному будущему уже делаются.

А теперь вернемся к тому, с чего мы начали, — к использованию биоуправления в медицине. Чудесная биорука, созданная в нашей стране, является далеко не единственным практическим воплощением изобретательской мысли советских ученых в использовании биопотенциалов живого организма. За 11 лет, прошедших после первой демонстрации биоэлектрической руки на Брюссельской всемирной выставке летом 1957 г., наши ученые достигли значительных успехов в применении биотоков для управления диагностической, лечебной и вспомогательной медицинской аппаратурой. Так, например, бывает необходимо сделать рентгеновский снимок сердца в строго определенный момент, в момент сокращения его желудочка или предсердия или в момент расслабления сердечной мышцы. Каждая стадия в работе сердца длится малые доли секунды, и даже если врач даст рентгенотехнику команду: "Снимай!", тот не успеет ее выполнить в срок. Вот тут-то советские ученые и решили привлечь в помощь рентгенологам биотоки сердца самого пациента.

Уловленные обычным способом — с помощью электродов, приложенных к груди и рукам больного, — биопотенциалы сердца усиливаются и подаются в радиоэлектронное устройство, настроенное так, что оно реагирует только на какой-нибудь один зубец электрокардиограммы, т. е. на определенную величину потенциала. Получив нужный сигнал, устройство включает рентгеновский аппарат. В результате сердце как бы само себя снимает, и именно в тот момент, когда это необходимо врачу для получения точных данных о динамике сердца больного. Теперь уже не врач и не техник, а биоэлектрические сигналы сердца пациента управляют рентгеновским аппаратом. Таким образом, электрокардиосинхронизатор, разработанный под руководством профессора В. С. Гурфинкеля, заведующего лабораторией физиологии Института экспериментальной биологии и медицины Сибирского отделения АН СССР, позволил осуществить давнюю мечту врачей, получать рентгеновские снимки сердца в заранее определенной фазе цикла сокращения.

Управление биотоками используется ныне и в аппаратах искусственного дыхания и кровообращения, что дает возможность "подстраивать" эти аппараты под собственные ритмы организма. Один из таких аппаратов — перфузионный электромагнитный насос с биоэлектрическим управлением — "Биопульс". Это искусственное сердце предназначено для синхронного нагнетания крови в артерии. "Биопульс" помогает разгрузить сердце больного во время операции или при лечении острой сердечной недостаточности и других заболеваний. Важная особенность аппарата заключается в том, что, получив слабые электрические импульсы, он после усиления последних приводит ими в действие собственно насос. Такой принцип позволяет путем простейших регулировок в цепи формирования исходных импульсов менять в широких пределах характер нагнетания крови — частоту, длительность, силу и фазу пульсовой волны. Кроме того, "Биопульс" можно синхронизировать самим сердцем больного. Для синхронизации используются электрические потенциалы, возникающие при работе сердца и называемые R-зубцами. Если же биопотенциалы сердца исчезают или становятся слишком слабыми, насос начинает работать на собственной частоте.

У современной медицины есть немало своих "космических" проблем, решение которых кажется фантастическим. Хорошо известно, например, какое страшное зло представляют для человечества многочисленные сердечные недуги: инфаркт миокарда, тяжелые ревматические пороки и другие. Несмотря на то, что арсенал современных терапевтических и хирургических методов лечения болезней сердца достаточно обширен, все же рассчитывать на успех можно далеко не всегда. Поэтому усилия многих ученых ряда стран сейчас направлены на создание искусственного сердца, которое являлось бы частью живого организма и позволяло бы больному вести почти нормальный образ жизни.

Как же практически думают справиться с этой проблемой медики, бионики и инженеры?

Для создания искусственного сердца необходимо решить три основные задачи. Прежде всего, нужно подобрать соответствующее вещество для изготовления протеза. Здесь ученые единодушно отдают предпочтение каучуку, содержащему примесь силикона (органического вещества — несмачиваемого кремния). Отдельные детали из силиконовой резины уже прошли проверку временем в конструкциях искусственных клапанов сердца. В ближайшее время химики обещают сделать такую резину достаточно прочной. Одновременно специалисты работают над созданием составов, которые, покрывая внутреннюю поверхность клапанов и камеры искусственного желудочка, исключат возможность образования тромбов. Вынашиваются и другие идеи, например, покрыть поверхность резины тонкой ворсистой (типа велюра) металлической пленкой, способной удерживать электростатический заряд.

Вторая задача — подобрать источник энергии, который бы надежно поддерживал "биение" искусственного сердца. Сейчас испытывается следующая схема: искусственное сердце связано с источником питания, находящимся вне организма, — пневмоприводом. Такое устройство было разработано и испытано 6 лет назад в США известным ученым доктором Колфом, создателем первой искусственной почки. Эту же идею реализовали в своих конструкциях и другие американские специалисты — Дебеки, Зайдель и Кантровиц. Важнейшим преимуществом пневмопривода является возможность использования очень тонких шлангов для связи искусственного сердца с наружным источником его питания. Другой вариант конструкции "сердечного привода" предусматривает использование миниатюрных электрических двигателей. Эти двигатели должны посредством системы механических преобразователей вызывать сокращение желудочков искусственного сердца. Однако осуществление такой конструкции сопряжено с известными трудностями.

Во-первых, очень немногие современные миниатюрные электромоторы способны длительное время работать без ремонта, во-вторых, не ясно, как отводить из организма человека тепло, которое неизбежно будет выделяться при работе такой системы. Ну и, конечно, поскольку питание поступает по электрическому кабелю, вся конструкция не обещает быть удобной в пользовании.

Разумеется, гораздо лучше было бы питать искусственное сердце от каких-то источников, которые можно было бы поместить внутрь организма, например от миниатюрных электрических батарей. "Теоретически, — пишет профессор Ф. Баллюзек, — такая возможность не исключена. Ведь в области создания миниатюрных, но достаточно емких аккумуляторов достигнуты большие успехи. Кроме того, для подзарядки таких аккумуляторов можно использовать различные источники. Наконец, можно думать и о создании специальной "внутренней электростанции". Сейчас уже сделаны попытки превратить в "электростанцию" какую-то одну мышцу, которая будет возбуждаться с помощью специального запрограммированного устройства. В этом плане любопытные результаты получены американским ученым доктором Кюсероу. Он доказал, что подобный мышечный привод может работать несколько суток. Для питания специальных термобатарей (они тоже могут служить источниками питания) предложено также использовать разницу температур между окружающей средой и поверхностью человеческого тела.

Эти очень интересные исследования ведутся во многих учреждениях.

Изыскиваются и другие устройства, способные обеспечить ритмические сокращения искусственного сердца, которые находились бы внутри грудной клетки или хотя бы в пределах тела человека. Так, во многих лабораториях мира ныне ведутся довольно успешные работы по созданию из полимерных материалов искусственной мышечной ткани, обладающей способностью сокращаться. Конечно, такая ткань была бы идеальным материалом для изготовления искусственных сердец, однако, по-видимому, это дело далекого будущего; во всяком случае рассчитывать на то, что в ближайшее время можно будет делать "сердца" из полимерных мышц, не приходится.

Наконец, третья чрезвычайно важная задача, которую предстоит решить ученым, — найти способ управления искусственным сердцем. Иными словами, речь идет о приведении режима работы искусственного сердца в соответствие с потребностями всего организма человека.

Если сердце целиком искусственное, наладить нужный ритм его работы — дело довольно сложное. "В этом случае, очевидно, — пишет профессор Ф. Баллюзек, — не обойтись без портативных датчиков, распололсеиных внутри организма".

Но, как показывает медицинская практика, большинство патологических процессов поражает сердце неравномерно: чаще страдает левый желудочек, реже правый, и лишь иногда речь идет о несостоятельности всей сердечной мышцы. Следовательно, далеко не всегда возникает нужда в замене протезом всего сердца, во многих случаях можно ограничиться лишь одним дополнительным желудочком, способным взять на себя часть приходящейся на пораженный желудочек нагрузки. При протезировании только одной половины сердца значительно облегчается задача наладки режима его работы. В этом случае в качестве управляющего устройства можно использовать оставшуюся здоровую часть сердца. Собственные биотоки сердца позволяют достигнуть полной синхронизации работы обеих его частей — естественной и искусственной. Для этого лишь нужно оснастить обычный электрокардиограф, включенный, так сказать, наоборот, специальным узлом — синхронизатором, который позволял бы в нужный момент включать электрическое реле и вызывать сокращение (систолу) искусственного желудочка. Такая задача сейчас вполне разрешима. Советские инженеры создали для этой цели хороший прибор — кардиомонитор.

На пути создания искусственного сердца ученым предстоит преодолеть еще очень много трудностей. Однако никто из специалистов, занятых решением этой проблемы, не сомневается в том, что с дальнейшим развитием радиоэлектроники, бионики, химии и кибернетики искусственное сердце станет достоянием практической медицины.

Наблюдая за реакциями человека, используя точнейшую электронную аппаратуру и методы современной электрофизиологии, ученым удалось показать, что из десятков тысяч сигналов, генерируемых центральной нервной системой, можно выделить те, которые несут полезную информацию о специфических движениях. При сравнении у разных людей осциллограмм сигналов управления — биотоков, сформировавшихся в центральной нервной системе, было установлено, что они схожи между собой, если выполняемые действия одинаковы. Вполне естественно, что это навело ученых на мысль о биоэлектростимуляции, о возможности перенесения биотоков с одной, здоровой части организма на другую, больную, у которой, например, нарушена связь с центральной нервной системой. Ведь научиться управлять движениями парализованных рук и ног — давнишняя, заветная мечта врачей!

Биоэлектростимуляция открывает широкие возможности для лечения параличей, в частности параличей, возникающих вследствие поражения двигательных центров коры головного мозга. Разумеется, при "старом" параличе биостимуляция бессильна, поскольку мы не научились пока еще возвращать к жизни атрофированные мышцы. Биоэлектростимуляция может эффективно помочь восстановить функцию управления мышцами рук или ног лишь в том случае, если болезнь захвачена в самом начале и если нарушение в работе управляющего "механизма" нашего тела поддается исправлению.

А нельзя ли биотоки, генерируемые здоровым организмом, каким-либо образом "законсервировать" с тем, чтобы в любое время в отсутствие "донора" использовать их в больном организме? Вероятно, это можно сделать. Так как команды, которые мозг отдает мышцам, посылаются по нервным волокнам в виде серии электрических импульсов и каждому движению мышц соответствует определенный характер сигнала, то последний можно не только усилить, но и записать, скажем, на магнитную ленту. "Проигрывая" потом эту запись соответствующим мышцам больного, быть может, удастся заставить их работать, хотя никаких команд от мозга они не получают. Таким образом, посредством биоэлектростимуляции можно, как показывают опыты, весьма эффективно воздействовать не только на парализованные конечности, но и на внутренние органы человека и животных.

Возьмем для примера легкие. Известно, что процессом дыхания управляет дыхательный центр, расположенный в ромбовидной ямке продолговатого мозга, в области так называемой ретикулярной формации. От рецепторов легких в дыхательный центр поступают по нервным волокнам импульсы, которые затем направляются к дыхательной мускулатуре, вызывая ее сокращения. И вот доктор Витольд Карчевский из Варшавы перерезал эти волокна у кролика, но кролик не погиб. Жизнь кролику сохранили чужие биотоки — ученый передавал подопытному животному записанные на пленку и усиленные импульсы от рецепторов легких другого кролика.

У персонала родильных домов можно услышать фразу: "Рожает, как крольчиха". Это выражение является синонимом не только плодовитости, но и легкости родов. В действительности же крольчихам роды даются не так легко, как нам кажется. Они рожают в муках, как и все теплокровные животные. Особенно трудно им, когда у больной крольчихи слабы родовые схватки. И беда здесь не в слабости мышц матки, а в том, что очень слабы биоимпульсы, генерируемые центральной нервной системой и передающие матке команды. В этом легко убедиться, если наложить на матку электроды и записать ее импульсы на электронном самописце. Последний начертит на бумажной ленте кривую со слабыми редкими импульсами, не идущими ни в какое сравнение с биотоками здоровой самки.

А что если активную матку здоровом крольчихи соединить со слабой проводами, как генератор соединяют с двигателем? Вероятно, мощные, отчетливые биоимпульсы здоровой самки будут активизировать сокращение мышц ее слабой сестры. Но для этого, скажет читатель, надо заставить здоровую и больную крольчих рожать одновременно. Нет, оказывается этого не требуется. Инженеры решили сконструировать усилитель биотоков матки и записать биоимпульсы нормальных родов на магнитофонную ленту. Получилась запись, которую В. Орлов удачно назвал "электронной программой родов". Затем мышцу матки больной самки-роженицы подключили к магнитофону, и ее мышцы стали столь же активно сокращаться, как и у здоровой. Так легко, с помощью биотоков, усиленных электронной "повивальной бабкой", вероятно, не рожала еще ни одна крольчиха в мире!

Результаты описанных выше и ряда других аналогичных опытов позволяют надеяться, что биоэлектрическая стимуляция в недалеком будущем станет самым действенным средством борьбы с шоком, клинической смертью, утомляемостью и т. п. Имеются также основания предполагать, что в дальнейшем с помощью специальной электронной аппаратуры удастся открыть и глубоко изучить неизвестные нам процессы в организме человека, которые можно будет использовать для диагностики и предупреждения ряда заболеваний.

Ведущиеся поиски ученых по практическому использованию биоэлектрических явлений в медицине сулят большие возможности для врачевания. По мнению действительного члена Академии медицинских наук СССР А. В. Лебединского, "в дальнейшем речь может идти даже о продуманном влиянии на физиологические процессы, ведающие нашей духовной жизнью". Некоторые ученые считают, что между 2000 и 2020 г. новая электронная техника позволит установить контроль над процессами старения, а биоэлектростимуляция в комплексе с другими лечебными методами и средствами даст возможность продлить человеческую жизнь по меньшей мере на 50 лет!

По мнению биоников, настанет день, когда человек сможет широко использовать многих животных в качестве "живых электростанций". Известно, например, что морской угорь генерирует электрический ток, напряжение которого достигает 650 в. Как только угорь обнаруживает добычу, он посылает в нужном направлении серию электрических импульсов, убивающих или оглушающих намеченную жертву. Ученые надеятся, что по "принципу угря" будет создана оригинальная батарея, которая сможет быстро восстанавливать израсходованную энергию. Выдвигается даже предположение о том, что угрей можно будет использовать как полезный источник энергии в космических полетах и на первых лунных станциях.

Пока, конечно, трудно с уверенностью говорить о том, поможет ли угорь человеку достичь иных миров, но вот ученым, работающим в одной из английских электрокомпаний, недавно удалось использовать электроэнергию крысы. В течение 8 час крыса служила источником питания радиопередатчика, и это не оказало на нее никакого пагубного действия. На основании этого экспериментаторы пришли к заключению, что биотоками животных удастся пользоваться в течение всей их жизни. В качестве следующего шага ученые намерены поставить опыты по использованию энергии (биотоков) более крупных животных.

Большой интерес ныне проявляют ученые и к электрическим процессам, происходящим в растениях. По-видимому, эти процессы, как и у животных, теснейшим образом связаны с важнейшими динамическими режимами жизнедеятельности, но проявляются несколько слабее и протекают гораздо медленнее. Энергетика растительного мира — живой ключ к кладовым, где хранятся богатства природы. Однако мы пока еще далеки от полного понимания биоэлектрических явлений, интимных процессов, происходящих в растениях. Ученые надеются, что проводимые сейчас исследования электрических процессов, происходящих в растениях, дадут в будущем возможность использовать биоэлектрические методы для управления ростом растений. Представляете, насколько это важно?

Безусловно, для того чтобы осуществились все замыслы и прогнозы ученых по использованию "живого" электричества в растениеводстве, медицине, в различных областях техники, придется еще очень и очень много потрудиться врачам и биофизикам, специалистам по электронике и кибернетике, математикам и бионикам, физиологам и психологам, ботаникам и биохимикам. Впереди их ждет большая научно-исследовательская работа, множество экспериментов на животных и растениях. Но уже сегодня у нас имеются все основания утверждать, что не за горами день, когда биоэлектрическая техника, биоэлектрическое управление прочно войдут в нашу жизнь и дадут нам, возможно, то, о чем мы сейчас даже не смеем мечтать.