В принципе первые протезы появились еще в глубокой древности. Так, археологи обнаружили у одной из египетских мумий (ее возраст – 2600 лет) искусственный большой палец ноги, изготовленный из железа. На протяжении многих веков протезы мастерили из дерева и железа. Внешне они копировали утраченную часть тела. Но полностью перенять ее функции могут лишь современные протезы, в которых используется новейшая электроника.
С помощью таких протезов люди, лишенные рук или ног, могут брать любые предметы, бегать, принимать участие в соревнованиях. Протезы самых современных моделей способны думать сами. Об этом заботится встроенный в них микропроцессор. Например, в протезе ноги он обрабатывает всю информацию, получаемую от многочисленных сенсоров, – знает, под каким углом сейчас согнуто колено, с какой скоростью ступает нога, какая нагрузка приходится на стопу. Используя эти сведения, он, например, управляет гидравлическим демпфером, который смягчает колебания голени и стабилизирует положение колена.
Как создается такое чудо? Для того чтобы походка выглядела как можно более естественной, конструкторы должны тщательно проанализировать все фазы движений ноги. Какие силы возникают, когда мы ступаем по полу? Как вибрируют при этом кости и мышцы? Как можно стабилизировать ногу (и соответственно протез), чтобы свести к минимуму вероятность повреждения? Особенно важна предельная точность движений. Всё должно совершаться в считаные доли секунды. Здоровый человек автоматически поднимает ногу, сгибает ее в колене, вытягивает ее, наступает на переднюю часть ступни… Тут и думать не о чем! Другое дело – микропроцессор. Он вынужден каждые 0,02 секунды регистрировать положение протеза и управлять им.
Зато с электронным протезом можно не только без труда ходить или бегать, но и кататься на велосипеде, ездить на горных лыжах или скейтборде. Исландская фирма «Össur» выпустила даже модификацию электронного протеза, которая снабжена двигателем. Он вырабатывает энергию, необходимую для того, чтобы, допустим, подниматься по лестнице.
Для таких протезов нужны и соответствующие материалы, например углеволокно, способное по своим характеристикам заменить любые кости, сухожилия, связки и мышцы, из которых состоит нога.
Еще сложнее создать протез, который в полной мере заменил бы человеческую руку. Ведь кисть руки получает сигналы примерно от 17 тысяч рецепторов. Уже одна эта цифра показывает, какая сложная задача стоит перед конструкторами. Им надо понять, какие из функций, которыми наделена рука, важны, а какие – не особенно, что нужно воспроизвести, а от чего можно отказаться. Например, не обязательно, чтобы протез ощущал температуру воздуха или структуру материала, до которого дотрагивается человек. Гораздо важнее, чтобы тот мог точно регулировать усилие, развиваемое протезом, чтобы в одних случаях крепко сжимал что-либо искусственной рукой, а в других – ограничивался легким прикосновением.
Экзоскелеты помогут передвигаться инвалидам с тяжелыми травмами конечностей
Поразительна подвижность «пластичной кисти», которую разработали в Технологическом институте Карлсруэ. Человек, использующий подобный протез, напрягает те или иные мышцы руки, а микросхема преобразует эти сигналы в движения, выполняемые кистью. Пациенту надо лишь научиться четко отдавать команды, и тогда протез будет моментально слушаться его, не доставляя неудобств.
Каждый палец этой кисти оборудован гидравлическими приводами. Их присутствие выдают небольшие складочки над суставами. Когда давление жидкости нарастает, складки растягиваются, и сустав сгибается. Управление системой ведется с помощью миниатюрных насосов, клапанов, сенсоров и микропроцессора. Подобная гидравлика позволяет чрезвычайно повысить подвижность протеза руки. С его помощью можно легко и уверенно брать предметы самой разной формы. Но такие протезы – пока штучный товар. Для серийного производства они слишком дороги и сложны.
Особенно изощренной выглядит конструкция пальцев. Одна из главных проблем в том, что пальцы очень малы; там трудно разместить все необходимые компоненты. Если оборудовать пальцы миниатюрными моторчиками, то протез получается грубым и бесформенным. Как признают сами его создатели, «мы почти достигли пределов возможностей материалов и электроники».
Так, исследователи работают сейчас над тем, чтобы имплантировать электроды в мышцы человека – они будут регистрировать электрические импульсы, возникающие при сокращении мышц. Передача сигналов от электродов к микропроцессору должна вестись бесконтактным способом.
Однако подобрать материалы для таких электродов очень трудно. Они должны быть совместимы с нашими биологическими тканями, причем работать им придется в неблагоприятной для себя среде – нельзя, чтобы их разъедала соленая телесная жидкость. Кроме того, эти материалы должны быть чрезвычайно гибкими и легкими, иначе они быстро повредятся.
С последними успехами в нанотехнологии возможности оснащения нашего тела техническими элементами заметно расширились. Ученые, работающие в этой области, в один голос твердят: «Если в XX веке технический прогресс был связан, прежде всего, с достижениями в микроэлектронике, то в XXI – с нанотехнологией и биотехнологией». Открытия, сделанные в этих дисциплинах, позволят вовремя выявлять генетические дефекты и побеждать болезни, казавшиеся еще недавно неизлечимыми.
С развитием науки человек постепенно выходит за рамки эволюционного процесса. В современном обществе – при всех его недостатках – людям с ограниченными возможностями живется легче и комфортнее, чем когда-либо прежде, – и всё благодаря удивительным достижениям науки и техники. Это и позволяет надеяться на то, что в недалеком будущем удастся заметно повысить ожидаемую продолжительность жизни.
Мир науки и технологии, то есть западный мир, – это стремительно стареющее общество. Иными словами, физически слабеющее общество, а потому все больше внимания ученые и исследователи будут уделять восстановлению нормальной работы человеческого тела и, разумеется, расширению его возможностей.
Создание идеальных протезов – это, несомненно, вопрос ближайших десятилетий. Спрос на них стремительно растет. Медики опробуют всё новые аппараты, помогающие восстанавливать функции, утраченные организмом. Рано или поздно любые сложности удастся преодолеть, и тогда человека помчат вперед искусственные ноги, а всю работу за него будут выполнять искусственные руки.
Для чего нужен экзоскелет?
В отличие от позвоночных животных все членистоногие, в том числе насекомые и ракообразные, обладают не внутренним, а внешним скелетом (экзоскелетом) – кутикулой или панцирем. Он защищает мягкие части их тельца, служит им опорой. Когда-то эволюция отказалась от него. У высших животных опорой служит внутренний скелет, он является той основой, на которую «нанизываются» другие части их тела. Теперь стараниями ученых этот «реликт прошлого» открывает для человека новые, удивительные возможности в будущем.
В последние годы в медицине ведутся разработки «экзоскелетов» – конструкций, которые должны помочь парализованным людям нормально передвигаться. Подобные протезы – одно из самых ожидаемых изобретений XXI века.
Нужны они и пожилым людям, чье тело стало плохо слушаться их. Современное общество всё заметнее стареет. Все больше людей, которым требуется помощь; все меньше тех, кто может им помочь. Тем больше упований на современную электронику, которая призвана буквально вдохнуть жизнь в изношенное тело человека.
В принципе еще в 1960-х годах сотрудники компании «Дженерал электрик» разрабатывали искусственный скелет, который должен был придать его обладателю нечеловеческие силы. Ожидалось, что с его помощью рабочие будут переносить грузы, весящие до 700 килограммов. Тогда проект не удался.
Однако за минувшие полвека техника шагнула далеко вперед. Новые модели искусственных скелетов уже находят практическое применение. В последние годы сразу несколько фирм разработали приспособления, которые после того, как будут доведены до совершенства, позволят многим инвалидам снова самостоятельно передвигаться – хотя бы в пределах комнаты, дома, дворика, улицы… Кто знает, куда заведет человека его «электронный скелет» всего через пару десятилетий?
Возможно, когда-нибудь ученые научатся восстанавливать поврежденный спинной мозг и возвращать человеку подвижность. Но до тех пор, пока этого не произойдет, самое лучшее, что можно сделать для парализованных пациентов, – это снабдить их искусственным скелетом, который хотя бы отчасти вернет им утраченное здоровье и какую-то свободу действий.
Экзоскелет ReWalk предназначен для пациентов, у которых полностью парализована нижняя часть тела. Они не будут больше прикованы к инвалидному креслу, а хотя бы в течение нескольких часов почувствуют себя не такими безнадежными больными.
Очень перспективно применение плазмы в медицине
Основу изобретения составляют наложенные на ноги больного шины, которые приводятся в движение миниатюрными моторчиками. С помощью наручного пульта человек может выбирать режим движения, собирается ли он встать из инвалидного кресла, пройти по комнате или подняться по лестнице. Как только он выбрал нужный режим, он подается вперед всем телом. Сенсоры регистрируют это движение и активизируют искусственные ноги. Кроме того, сенсоры подмечают любой поворот торса больного и соответственно меняют направление ходьбы. Компьютер, которым управляется эта система, питается от аккумулятора – и компьютер, и зарядное устройство умещается в рюкзачке. Разумеется, чтобы сохранять равновесие, пациент вынужден опираться на костыли, но это мелочь по сравнению с полной неподвижностью.
Создатель этого экзоскелета, израильский ученый Амит Гоффер, сам парализованный в результате несчастного случая, отмечает: «Меня всегда поражало, что в XXI веке, когда все вокруг меняется так быстро, что счет идет буквально на наносекунды, для пяти миллионов человек, живущих в развитых странах мира и в силу разных причин прикованных к инвалидному креслу, жизнь как будто остановилась. За две тысячи лет люди не придумали ничего лучшего, чем какой-то стул на колесиках».