Вокруг Света 2006 №05

От протеза к киборгу

Самая главная проблема существующих ныне протезов — негибкость и отсутствие связи с остальным организмом. Протезы, заменяющие активные части тела, являются, как это ни грустно, всего лишь неполноценным суррогатом. Они не лучше утерянной ноги или руки, они даже не такие же по функциональности — они гораздо хуже. Такое положение дел было неизменным в течение столетий, пока не появилась биомехатроника.

Практически до конца XX века протезы (от греч. prosthesis —«присоединение») прикреплялись к человеческому телу лишь механически, в лучшем случае их части сгибались в «суставах» с помощью ручных команд. Но вот совсем недавно появилось новое направление в ортопедии, которое пока достаточно условно называется биомехатроникой — соединением робототехники с нервной системой человека. В рамках этого направления уже разрабатываются искусственные конечности, которые двигаются совсем как настоящие. Владельцы обычных ножных протезов (особенно те, у которых нога ампутирована выше колена) часто спотыкаются и падают или передвигаются неестественной походкой — и все потому, что на протезе нет «обратной реакции». Естественное решение — сделать протез «квазиживым», умеющим реагировать на нагрузку и внешнюю среду (скажем, даже на характер почвы), а в идеальном случае — реагирующим на команды, исходящие из мозга. Конструированием более надежных протезов занимаются сегодня сразу несколько исследовательских групп. Предполагается, что новинками можно будет управлять с поразительной точностью. Скажем, на некоторые из продаваемых в настоящий момент моделей протезов колена уже установлены встроенные микропроцессоры, которые могут быть запрограммированы таким образом, чтобы пользователь смог передвигаться более естественно. Группа разработчиков из знаменитой Media Laboratory (Массачусетский технологический институт) под руководством профессора Хафа Герра пошла в реализации этой идеи еще дальше. Был разработан протез со встроенными датчиками, способными измерять степень изгиба колена, а также усилие, которое прилагается к нему во время ходьбы. Это искусственное колено, недавно выпущенное на рынок исландской компанией Ossur, включает в себя еще и компьютерный чип. Чип анализирует данные с датчиков, размещенных на суставе, с целью создания подходящей модели походки пользователя и адаптации движений протеза к движениям человека. (Примерно по тому же принципу «подстраивается» к человеку адаптивная автоматическая коробка передач в автомобиле.) Пока новые протезы продаются, группа профессора Герра двигается дальше: работает над размещением таких датчиков за пределами коленного сустава. В этом случае можно будет их использовать не только для определения механической нагрузки, которую оказывает тело человека на протез, но и для обнаружения нервных импульсов, поступающих на мышцы, расположенные рядом с искусственным суставом. Собственно, именно это и называется «биомехатроника» — производство роботизированных протезов, способных «общаться» с нервной системой человека и выполнять полученные от нее команды. Согласно прогнозам того же Герра к началу второго десятилетия нынешнего века пациенты с некоторыми травмами спинного мозга (то есть частично парализованные) смогут снова двигать своими конечностями, управляя надетыми на них роботизированными экзоскелетами (или, по крайней мере, это будет возможно на экспериментальном уровне). Группа биомехатроники Герра финансируется американским Департаментом по делам ветеранов с целью облегчить жизнь людям с ампутированными конечностями, ставшим инвалидами в результате боевых ранений.

Сам профессор Герр потерял нижнюю часть ног еще в юности — отморозил, занимаясь альпинизмом, и теперь лично заинтересован в удачных испытаниях нового устройства. «Полагаю, что будет очень здорово снова научиться управлять своими лодыжками», — говорит он, планируя испытать на себе самом самый последний прототип протеза лодыжки. На весну нынешнего года была запланирована имплантация в мышцы одной из ног профессора, ниже колена, трех небольших датчиков (результаты эксперимента станут известны позднее). Герр напрягает и сгибает мышцы ноги так же, как он это делал, когда у него еще была лодыжка. Мозг работает, посылая сигналы к несуществующей части тела. Задача датчиков состоит в том, чтобы измерять электрическую активность в мышцах и передавать полученную информацию на установленную в протезе лодыжки микросхему. Она, в свою очередь, «переведет» электрические импульсы на язык инструкций, которые передаст сервоприводам протеза. Человек при этом сможет двигать искусственной лодыжкой, «оживив» мышцы, оставшиеся в ноге на стыке с искусственным суставом. Мало того, в будущем он сможет почувствовать ее ответную реакцию так (или хотя бы примерно так), как он чувствовал сустав до ампутации. Конечно, наладить «обратную связь» по нервным каналам — задача, мягко говоря, нетривиальная. Неизвестно, когда она будет удовлетворительно решена. Однако пока что пациент может почувствовать положение лодыжки благодаря слабым вибрациям, генерируемым искусственным суставом. Возглавляющий проект Департамента по делам ветеранов Рой Арон, профессор ортопедии медицинского училища Brown Medical School, очень высоко оценивает шансы Герра на успех. «Мы считаем эту работу чрезвычайно перспективной», — заявил он в середине прошлого года в интервью, данном ряду журналистов из американских научно-популярных журналов.

Сам же Герр уверен, что в той области, которой он занимается, благодаря объединению достижений биомехатроники и инженерии тканей дело вскоре дойдет до изготовления протезов, соединяющих в себе искусственные материалы и человеческую ткань. «Я думаю, что в конечном итоге мы неизбежно придем к созданию гибридных устройств», — заявил Герр корреспонденту «Вокруг света».

В Шотландии группа исследователей из отделения ортопедической хирургии Эдинбургского университета еще в середине 90-х годов разработала систему Edinburgh Modular Arm System. Это электронная рука, которой один испытатель пользовался почти десять лет. Он мог поднимать и опускать руку, сгибать локоть, вращать ладонь и даже шевелить отдельными пальцами. Протез оснащен шаровыми шарнирами и миниатюрными электромоторами, прикрепленными к шинам («костям») из углеродного волокна, заменяющим плечо и предплечье. Управлять всей этой конструкцией можно с помощью мускулатуры плеча. Электроды, прикрепленные к мышцам, воспринимают электрические сигналы сжатия и передают их протезам. Испытания руки до сих пор не завершены, а тем временем она уже начала морально устаревать, ведь ясно, что протезы будущего должны напрямую контактировать с нервными окончаниями мышц, а не просто улавливать мышечные напряжения.

Что же дальше? На что будут похожи эти «гибриды», которые заменят нынешние неуклюжие протезы (не приходится сомневаться, что спустя полвека даже искусственные лодыжки Герра будут казаться довольно архаичным устройством), и не превратится ли человек в киборга? Несомненно, в какой-то степени превратится. Понятие «cyb(ernetic) org(anism)», сокращенное до звучного слова «киборг», придумал в 1960 году специалист по космической медицине (что не случайно) Манфред Клайнс. В принципе достаточно снабдить человека искусственным стимулятором сердца — вот вам, пожалуйста, и киборг, полюбуйтесь. Ведь нет никакой критичной разницы между одним вживленным искусственным органом и десятью, и тем, внутренние они будут или внешние.

Вехи цивилизации

История протезов сравнима с историей человеческой цивилизации. По свидетельствам археологов, еще в неолите люди стали изготавливать зубные протезы из подходящих по размеру обточенных камней, костей, кусочков дерева и прочих материалов. Впрочем, зубной протез — дело относительно несложное по сравнению с протезированием активных частей тела. Благодаря стараниям тех же археологов стало известно, что профессия ортопеда, то есть специалиста, занимающегося лечением опорно-двигательного аппарата человека, может быть, как это ни удивительно, одной из древнейших. Так, в 2002 году в Египте была представлена публике редкая находка — деревянный протез большого пальца ноги, изготовленный еще в правление фараона XVIII династии Аменхотепа II (середина XV века до н. э.). Сам протез был найден десятью годами ранее в одной из гробниц Долины Царей близ Луксора и все эти годы тщательно исследовался специалистами. Протез пальца выточен из дерева и включает в себя специальную кожаную муфту, с помощью которой он крепился к ноге. Специалисты считают, что устройство выполняло не только эстетическую функцию, но и помогало человеку удерживать равновесие при ходьбе. Иными словами, еще три с половиной тысячи лет назад человек, не собираясь мириться с потерей некоторых жизненно важных функций тела, пытался синтезировать их с помощью подручных материалов. Впрочем, археологи находили и более древние «активные» протезы. Так, в 2001 году исследователи, работавшие в Египетском музее Каира, идентифицировали в некоем экспонате, до этого десятилетиями пылившемся в запасниках и не вызывавшем ничьего интереса, остатки протеза правой руки. Достаточно сложное устройство было изготовлено, видимо, для какого-то высокопоставленного пациента примерно во времена основателя III династии фараона Джосера (2780—2760 годы до н. э.). По своей функциональности оно превосходит даже ряд современных образцов. Этот протез, крепившийся к телу с помощью системы кожаных ремней, вполне позволял владельцу производить рукой ряд основных движений. Часть ремней играла роль сухожилий, «передавая» на руку «команды». Скажем, сгибанием левой ноги в колене можно было вызвать сгибание руки в локтевом суставе, а поворот тела вправо и влево вызывал сгибание и разгибание кисти. Чем ближе к нашему времени, тем больше свидетельств о все более широком употреблении протезов. Геродот, например, упоминал о некоем Гегесистрате, который в VI веке до н.э. сделал себе деревянный ножной протез и служил в персидской армии; Плиний сообщает о полководце, который, потеряв руку во время второй Пунической войны (III век до н. э.), заменил ее железной рукой, способной удерживать щит. Правда, с тех пор никаких серьезных прорывов в искусстве ортопеда не случилось — протезы в основном оставались «пассивными», неподвижными. Прогресс начался лишь в Новое время. В 1552 году известный врач и ученый Амбруаз Паре изготовил подвижный протез ноги с коленным шарниром и замком. Примерно тогда же неизвестный мастер сделал железный протез руки для рыцаря Геца фон Герлихингена (Германия), в котором четыре пальца (кроме большого) были подвижны и позволяли прекрасно управляться с предметами и осуществлять различные действия. Если для XVI века это был единичный шедевр, то уже в начале XIX века в Британии и Голландии регистрируются патенты на ножные протезы со сгибающимися коленными и голеностопными шарнирами (Д. Поте), на ручные с «работающими» пальцами (ван Петерсен) и другие.

Любопытным исследованием занимается группа известного американского изобретателя Стивена Джейкобсена, основателя компании Sarcos (он же, кстати, до этого проектировал роботизированные протезы руки и, как ни странно, знаменитые «танцующие» фонтаны отеля «Белладжио» в Лас-Вегасе). Компания Sarcos стоит на пороге промышленного изготовления робокостюмов. Конечно, ее работа финансируется военными ведомствами: только представьте себе возможности суперсолдат, суперспасателей и их десятикратно усиленные мышцы! Однако ясно, что такими робокостюмами с удовольствием воспользуются и люди, лишенные возможности передвигаться самостоятельно. Для слаженной работы всего механизма требуется несколько сложных сенсоров в каждом суставе и под голеностопом. Сенсоры приводят в действие гидравлическую систему, исполняющую роль мышц. Надевшему такой костюм человеку надо лишь слегка напрягать мышцы, и при этом он сможет легко балансировать на одной ноге с центнером груза за спиной: вся нагрузка практически придется на «мышцы» и стальные ноги робота, надеваемого, как костюм.

В том же направлении движется и Йошиюки Санкаи, профессор Университета Цукуба (Япония). Он готовится к массовому производству разработанного им мускульного усилителя, чем-то напоминающего костюм от Sarcos. Устройство это предназначено для помощи людям с ослабленными болезнью или врожденными дефектами мышцами. Робокостюм обнаруживает напряжение тех или иных групп мышц, передавая соответствующие команды на «мускулы» экзоскелета. Механический каркас, с установленными в коленях и вокруг пояса двигателями, плавно перемещает ноги пользователя в соответствии с его желанием. Скорость этого «протеза», правда, невелика.

Вообще основным камнем преткновения в таких разработках остаются как раз «мышцы» и питание. Нынешние приводы громоздки, медленны и потребляют слишком много энергии. Поэтому отдельное перспективное направление, которое быстро сольется с биомехатроникой, — разработка искусственных мышц. Хорошие искусственные мышцы могли бы заменить половину существующих на планете электромоторов (а их сейчас — уже многие миллиарды). Инженеры уже разрабатывают устройства, работающие от искусственных мышц, в том числе наколенники, предотвращающие ушибы, небольшие насосы для дозировки лекарств, а также роботов, которые извиваются, как змеи, летают, как птицы, или прыгают, как кузнечики. Но ряд исследователей возлагают на этот материал и другие надежды: заменить ими… натуральные человеческие мышцы. В середине прошлого года на ежегодной научной конференции в Сан-Диего три университетские команды выставили на соревнования по армрестлингу между роботом и человеком недурные образцы искусственных мышц. Однако роботы все равно проиграли вчистую — к сожалению, даже лучшее из того, что пока может предложить инженерная мысль, не может сравниться с человеческой мышцей, которой любой биоинженер даст высочайшую оценку и перечислит длинный список достоинств. Первое и главное — это сила. «Средняя» мышца бедра может произвести усилие (3 кг силы на см2 своего сечения), достаточное, чтобы сломать сосновую парту. За силой следует мощность — отношение работы к промежутку времени, в течение которого она совершена. Как в автомобилях, высокая мощность приводит к большим скоростям, а у стандартной скелетной мышцы КПД куда выше, чем у стандартного автомобильного двигателя. Мышцы также действуют как тормоза, пружины и амортизаторы. Вот почему мы, в отличие от обычного робота, можем бегать, прыгать и мягко приземляться. Пока искусственным мышцам далеко до естественных, но они уже существуют. В конце концов, первый космический полет тоже длился совсем недолго. Но мышцы — это еще далеко не все.

Биомехатроника стремительно прогрессирует по всем направлениям. Например, существующее на данный момент титановое сердце Abiocor, к сожалению, может быть имплантировано только примерно 50% мужчин и работает всего два года. Следующая модель, которая планируется к 2008 году, окажется втрое компактнее, подойдет большинству мужчин и половине женщин и будет работать пять лет. Корпорация Advanced Bionics разрабатывает кохлеарные имплантаты Bionic Ear, которые будут возвращать к жизни поврежденные органы внутреннего уха: крохотная помпа будет подавать к нервным окончаниям стимулирующие препараты, а электроды — возбуждать нервные клетки.

Разработчики из Университета Питтсбурга работают над первым в истории имплантируемым легким из газопроницаемого микроволнистого материала (небольшой насос забирает углекислоту и поставляет кислород, насыщающий ткани «легкого» и переносимый оттуда в кровь).

Таким образом, сегодня мы далеко ушли от первых деревянных пальцев-протезов времен первых фараонов. (Но, к сожалению, современные модели «интеллектуальных» протезов доступны пока далеко не всем.) Впереди — не менее длинный путь к умению продублировать и заменить практически любой орган человеческого тела.

Другой путь

В работах, из которых «вырастут» протезы будущего, есть и другие направления, отличные от биомехатроники. В науке, как и в высоких технологиях, не всегда просто провести границу между областями исследования. Однако в отношении «протезирования» их можно достаточно условно разделить на биопротезы и исследования регенерации тканей. Первое изучает возможность «выращивания» протезов из естественных тканей или клонированных человеческих, или же других высших млекопитающих. Здесь до реальных успехов пока далеко: скажем, знаменитые кемеровские биопротезы сосудов и сердечных клапанов, заслуженно получающие высокие оценки профессионалов, изготавливаются только из сердечных клапанов свежезабитой свиньи. Вряд ли это можно считать перспективным подходом. Что касается регенерации тканей, то тут вообще пока можно говорить о теоретических результатах, ученые лишь подступили к пониманию того, как происходит регенерация на клеточном, тканевом и молекулярном уровнях у низших позвоночных. Так что в ближайшее время можно точно не рассчитывать на то, что ампутированную руку удастся отрастить снова.

Егор Быковский