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)
"Представим себе, — пишет ученый, — что человек лишился кисти руки. Он лишился некоторых мышц, которые позволяли ему сжимать и разжимать пальцы, однако большая часть мышц, обычно двигающих рукой, сохранилась в культе локтевой части руки... Эти мышцы, хотя они и не могут привести в движение кисть и пальцы, которых нет, вызывают некоторые электрические эффекты, называемые потенциалами действия. Эти потенциалы могут восприниматься соответствующими электродами, а затем усиливаться и преобразовываться транзисторными схемами. Такие потенциалы можно использовать для управления движениями искусственной руки при помощи миниатюрных электродвигателей, которые питаются от батарей или аккумуляторов... Источником управляющих сигналов служит обычно центральная часть нервной системы... Подобные искусственные руки уже были изготовлены в России, и они даже позволяли некоторым инвалидам вернуться к производительному труду" (рис. 1).
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:
"Мама, теперь у меня есть руки. Найдите мне работу. Может быть, место портье... Это очень важно, найдите мне работу..."
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.