Пять человек подобрались по типичным кибернетическим канонам. Разнородных специалистов объединили дружественные отношения, а главное — желание приложить свои знания и труд к новому делу и посмотреть, что из этого получится.
…И вот первый макет готов. Это совсем игрушка. Искусственная кисть установлена на ящике. Тяга, заставляющая кисть сжимать пальцы, приводится в движение механизмом, спрятанным в ящик. Этот механизм — очень упрощенный и сильно уменьшенный вариант электромеханического шагового двигателя, знакомого нам по первому станку с цифровым управлением. Вращением его вала управляли реле, включающиеся под действием электрических импульсов. А что или кто служит источником импульсов — лента с черточками или живая рука человека, — для технического устройства значения не имеет.
Посредине лаборатории выгорожена до потолка большая клетка, обтянутая металлической сеткой, экранирующей внешние помехи. Внутри клетки — оператор. Это один из пятерых. Правый рукав закатан до локтя, ниже локтя — резиновое кольцо, которым к коже прижаты электроды. Провода выползают из клетки и скрываются в недрах аппаратуры. А из недр аппаратуры вьются еще провода к ящику с игрушечной кистью. Рядом с оператором физиолог. За пределами клетки — остальные. Не слышно обычного смеха и шуток. Сейчас будет включена аппаратура. Что получится?
— Давай! — намного громче, чем нужно, звучит из клетки.
Загорелись контрольные лампочки.
— Согни кисть, — почти шепотом произносит физиолог.
Все глаза устремились на ящик с игрушкой. Кисть бездействовала. Еще попытка, еще… Все хором кричат оператору, чтобы он как следует напрягал мышцу или пусть выкатывается из клетки. Каждый предлагает свои услуги, и от торжественной тишины не осталось и следа. В этот момент смотритель аппаратуры обнаружил, что вилка, подвозящая питание к ящику с кистью, осталась выключенной. Привычным жестом он воткнул ее в розетку — и от неожиданности отпрянул в сторону. Из ящика послышалось краткое «тр-тр-тр!», заглушенное разгоревшейся дискуссией. Первого движения искусственной кисти никто не увидел. Но это не беда. Зато потом добрый час один за другим все желающие входили в клетку, надевали резиновый браслет, подсовывали под него электроды, сгибали и разгибали кисть. В ящике начиналась трескотня, послушная биотокам игрушка сжимала и разжимала искусственные пальцы.
А авторы изо всех сил делали вид, будто они ничего другого не ожидали.
Идея биоэлектрического управления стала очевидной, понятной, само собой разумеющейся… И тогда одно за другим начали возникать предложения — реальные, наивные, фантастические, — связанные с использованием этой идеи. А скептики начали не ложками — большими половниками добавлять деготь в бочку меда. Как и все, они видели игрушку, но в отличие от всех они видели только игрушку.
«Кому нужны эта клетка, шкаф с аппаратурой и трещотка? Что, кроме интересного фокуса, вы рассчитываете нам показать?»
По крайней мере наполовину скептики были правы. Действительно, клетка и шкаф с аппаратурой, приемлемые для лабораторных электрофизиологических исследований, были явно непригодны для технических приложений. Сомнения скептиков и свои собственные можно развеять только делом. Был разработан новый проект — теперь это был макет биоточного манипулятора. Авторский коллектив пополнился специалистами в области электроники. И вот в лаборатории, где почти два года тому назад состоялась первая беседа, испытывается новый макет.
Черная подножка, вертикальная труба, из которой горизонтально торчит искусственная кисть, одетая в щегольскую кожаную перчатку. Макет сделан непривычно аккуратно и чисто, все хорошо… Но рядом опять большой ящик. Что в нем?
В нем насос, приводимый в движение электродвигателем. Насос качает масло под давлением в две камеры, связанные с полостями гидроцилиндра и снабженные клапанами. Клапаны приводятся в движение соленоидами. А включением и выключением соленоидов управляют биотоки. Их отводят электроды, скрытые в специальном браслете, надетом на предплечье оператора. Слегка напрягая мышцы, оператор управляет положением клапанов, потоками жидкости, а в результате движением искусственной кисти.
Насос с двигателем, камеры с клапанами и громоздкими соленоидами — все эти агрегаты целиком и в готовом виде заимствованы из числа узлов, используемых в станках с программным управлением. Им пришлось отвести много места, ровно столько, сколько они занимали в исходной конструкции.
Зато теперь электронный узел, усиливающий и «обрабатывающий» биотоки и построенный на полупроводниках, помещается в маленькой коробке, спрятанной в черной подножке. По проводам внутри гибкого шланга в ящик идут управляющие сигналы, а из ящика по трубкам текут потоки жидкости в полости гидроцилиндра, скрытого внутри цилиндрического «предплечья». Поршень гидроцилиндра приводит в движение механизм кисти.
Осенью 1958 года работа над этим макетом была закончена, и он был выставлен на ВДНХ. В течение почти двух лет каждый желающий мог надеть браслет и управлять биоманипулятором. Желающих было много, и аппаратура прошла хорошую проверку на надежность и долговечность, были получены ответы на вопросы о том, как приспосабливается человек к новой системе управления, о регулировке этой системы применительно к разным операторам.
Биоэлектрический манипулятор при сжатии пальцев мог развивать большие усилия. Их величина ограничивалась только механической прочностью деталей кисти. Неизмеримо уступая живой кисти в подвижности, он может намного превзойти ее в отношении развиваемых усилий. «Мышечный усилитель» — самое первое техническое устройство, в котором материализовалась идея биоэлектрического управления.
Летом 1960 года в Москве проходил Первый Международный конгресс по автоматическому управлению. Во время одного из докладов на сцену поднялся юноша, подошел к черной доске и, взяв мел, под аплодисменты присутствующих написал на ней: «Привет участникам конгресса!» Почему зал так тепло встретил это вмешательство в спокойное течение заседания? Потому, что юноша брал мел и писал на доске протезом предплечья с биоэлектрическим управлением. Так идея биоэлектрического управления получила первое непосредственное практическое приложение.
Это был еще один шаг вперед; никаких клеток, шкафов и ящиков. Все укладывается в габариты и вес, приемлемые для человека, который пользуется протезом в обычной рабочей или домашней обстановке.
Биосигналы отводятся электродами, наложенными на кожу, покрывающую культю — остаток утраченного предплечья, и поступают в миниатюрный блок управления, спрятанный в кармане. Сигналы управления подводятся к электрическому микродвигателю, приводящему в движение механизм кисти. Когда у протезированного возникает желание сжать кисть, мозг превращает это желание в биоэлектрический сигнал, сигнал поступает от нервной сети в ткани усеченной мышцы, действует система биоэлектрического управления — и искусственная кисть сжимается.
Прошло несколько лет, и в нашей стране такие протезы теперь изготовляются десятками и сотнями. Представители многих зарубежных технических и лечебных фирм и заведений смотрят, изучают, записывают и запоминают, начинают проектировать и строить протезы с биоэлектрическим управлением. И не только протезы.
Протезирование — только первое, но далеко не единственное приложение идеи биоэлектрического управления.
…Космический корабль, возвращаясь из полета, стремительно мчится к Земле. Остается 200, 150, 100 километров, и вот корабль уже входит в плотные слои атмосферы, замедляющие его полет. Непреодолимые силы прижимают космонавта к креслу, в котором он полулежит. Он не может двинуть ни рукой, ни ногой; и если ему удается делать движения, то они медленны и неверны. Сохранив способность рассуждать и управлять кораблем, он лишен физической возможности осуществлять управление.
А теперь представьте, что космонавт располагается в не совсем обычном кресле. Его плечи и предплечья, прилегают к удобным полугильзам, укрепленным на жестких рычагах; верхний рычаг подвижно соединен со спинкой кресла, а другим концом, тоже подвижно, — со вторым рычагом. Живую руку космонавта дружески поддерживает механическая рука кресла. Ее подвижные сочленения снабжены приводами достаточно мощными, чтобы легко преодолеть силы, которые делают неподвижными руки космонавта при больших ускорениях и замедлениях корабля. Электроды, наложенные на несколько мышц, отводят биотоки, возникающие в них тогда, когда космонавт пытается двинуть невероятно отяжелевшей рукой. А дальше все происходит по известной нам схеме. Биотоки усиливаются, обрабатываются и используются для управления приводами механических рук. Движутся их звенья, а вместе с ними движутся руки космонавта, который теперь уже не остается пассивным наблюдателем.
В марте 1963 года американский технический журнал сообщил, что такая система уже построена и испытана в лабораториях Комплекса космических исследований. Значит, появилась еще одна — не первая и, наверное, не последняя — конструкция «мышечного усилителя».
Ну, а теперь попросите оператора встать с этого кресла и отойти от него на один или на тысячу метров, на сто или на миллион километров. Сохраните между ними проводную или беспроводную биоэлектрическую связь, и механические руки, помещенные там, где это нужно человеку, будут, может быть грубовато и несколько замедленно, повторять движения живых рук. Чтобы осуществлять управление таким манипулятором, понадобится система обратной связи, например, телевизионная камера около манипулятора и телевизионный приемник около оператора. Так можно контролировать все движения искусственных рук. Но этого может оказаться недостаточным.
Человеческая рука оснащена естественными датчиками-рецепторами, несущими в мозг информацию об усилиях, которые человек развивает, беря те или иные предметы, о температуре окружающей среды.
Ту же информацию можно получить (и получают) с помощью искусственных рецепторов-датчиков. Манипулятор, оснащенный такими датчиками, может аккуратно взять стеклянную колбу и тяжеленный кусок металла. Он сможет сравнить температуру окружающей среды с приемлемой для себя температурой и работать, соблюдая правила техники безопасности. Таким образом, манипулятор можно «очувствить»; в этом отношении никаких особых трудностей, даже чисто технических, нет.