В мире живут миллионы ампутантов: в США их более 1,5 млн человек, в Европе — более 5 млн. Причины, по которым эти люди потеряли конечность, самые разные — от производственной травмы или аварии до врожденных пороков и диабета. Задача общества — не закрывать глаза на проблемы этих людей, а постараться создать для них нормальные условия для жизни.
Но для ампутантов без рук даже взять стакан воды — задача не из легких. Что уж говорить о сложных манипуляциях вроде завязывания шнурков или полноценном рабочем процессе?
100 лет назад все было совсем плохо — крюки или декоративные руки с тросами ничем не помогали. Но с развитием технологий ситуация изменилась: на помощь людям с ограниченными возможностями пришли бионические протезы, управляемые «силой мысли». Пока они все еще неспособны заменить настоящую руку и имеют много ограничений, но с захватом предметов справляются неплохо.
Давайте посмотрим на историю появления «Бостонской руки» — первого массового биопротеза в истории. Его изобретение не только помогло облегчить жизнь тысячам ампутантов, но и заложило базу для развития протезирования на десятилетия вперед.
Протезы до «Бостонской руки»
Первые протезы мы всем помним из книг и фильмов про пиратов — простые крюки, позволяющие хоть как-то удовлетворять базовые потребности. Они изготавливались из дерева и крепились при помощи кожаных ремней. А для сгибания локтевого сустава использовался простейший шарнир. Разумеется, это работало, только если рука была ампутирована ниже локтя.
С XIX века среди более богатой части общества появляются первые тяговые протезы. В них уже есть пальцы-манипуляторы, которые управляются при помощи тросов — они натягиваются при движении оставшейся части руки и позволяют уже что-то захватывать. Кстати, тяговые протезы используются и сейчас: они намного дешевле и легче бионических, а также подходят для людей с ампутацией значительно выше локтя.
В XX веке прогресс приводит к появлению более совершенных конструкций. Например, в 1919 году в журнале Ersatzglieder und Arbeitshilfen («Запасные конечности и рабочие приспособления») появляются удивительные чертежи механических рук, которые управляются при помощи сжатого воздуха и электрической тяги. Принцип действия был похож на описанный выше, за исключением замены тросиков на пневматические цилиндры и электромагнитные катушки.
После окончания Первой Мировой войны домой вернулось очень много людей без конечностей, и немецкая фирма Otto Bock (сейчас одна из самых известных в мире компаний по протезированию) не только создавала традиционные инвалидные коляски и костыли, но и активно производила протезы. По некоторым источникам, она экспериментировала и с пневматическими вариантами — для этого использовались пневматические баллоны, которые человек должен был носить на спине.
Прорыв в деле протезирования наметился, когда в 1907 году немецкий ученый Ганс Пайпер поставил несколько опытов по изучению физиологии человеческих мышц. Основываясь на идеях Гальвани (знаменитый опыт с лягушкой) и работах Карла Маттеуччи, он не только подтвердил, что при сокращении мышц присутствует электрический ток, но и сумел его измерить. В 1912 году он издал книгу Elektrophysiologie menschlicher Muskeln («Электрофизиология мышц человека») и описал новое направление в науке — электромиографию.
Вы можете ознакомиться с оригиналом этой замечательной работы, если владеете немецким языком.
Многие ученые активно подключились к исследованию темы — ведь потенциал был колоссальный. Давайте посмотрим упрощенно: в моторной коре возникают электрические импульсы, которые через спинной мозг передаются к нервным волокнам в определенных мышцах и приводят к их сокращению (деполяризация мышечной мембраны). Так наша рука сгибается или разгибается.
Если знать точный путь распространения тока в синапсах, его можно измерить и использовать для управления каким-то исполнительным механизмом — скажем, серводвигателем. Тот будет двигать протез, да еще и с разным усилием, пропорциональным амплитуде нервного импульса. Тем более пути распространения сигнала в нервных волокнах врачам хорошо известны еще с конца XIX века, благодаря работам физиолога Вильгельма Эрба (Handbuch der Elektrotherapie, 1882 год).
Например, чтобы человек мог сгибать локоть, по сути, требовалось бы только считать сигналы всего от двух мышц — бицепса и трицепса. Выглядит довольно просто.
Однако на деле все оказалось намного сложнее: нервные импульсы в области верхних конечностей очень слабые. Они имеют амплитуду в диапазоне от 20 мкВ до 2 мВ (при максимальном сокращении мышцы) и частоту от 20 до 1000 Гц (в области пропорционального сигнала). Из-за этого перед изобретателями возникали проблемы:
Сложно измерить столь малый сигнал, да еще и временами совпадающий с частотой сети 50 Гц.
Нужно учесть влияние синфазных сигналов соседних мышц и научиться отличать один сигнал от другого.
При наложении электродов они должны все время попадать на одно и то же место руки — требуется высокая механическая точность изготовления гильзы протеза и подгонка под анатомические особенности ампутанта.
Кожа может обладать высоким импедансом, что также влияет на измерение сигнала электродами.
Вся система регулирования должна иметь минимальное время отклика, иначе невозможно будет захватывать хрупкие предметы — исполнительный механизм не будет успевать за изменением нервного импульса.
Протез должен развивать достаточное усилие на сжатие, при этом иметь какой-то разумный вес — протез весом в 3-4 кг невозможно долго использовать.
Питание должно быть автономным, иначе человек будет ограничен в передвижениях — ни о каком удобстве и речи идти не будет.
Другими словами, нужна очень чувствительная электрическая схема с глубокой обратной связью, гибкими возможностями фильтрации сигналов по амплитуде и частоте, правильно подобранным расположением электродов, точной механикой и много чем еще.
Инженеры продолжали искать способы, как решить все эти сложности и получить рабочий прототип протеза, управляемого силой мысли — даже сама идея казалась совершенно фантастической. Но исследования получили толчок сразу после окончания Второй Мировой войны — и на это было две причины:
Создавались более компактные и мощные усилительные схемы благодаря появлению и распространению транзисторов — как раз в конце 40-х годов XX века.
С войны вернулось много искалеченных солдат — нужно было помочь им интегрироваться в общество, чтобы как можно больше людей восстанавливали разрушенную экономику. Протезы с крюками или декоративные руки этому никак не способствовали (правда, про низкую доступность технологичного протеза из-за его огромной цены, особенно для ампутантов, тогда никто не думал).
Первым человеком, который приблизился к созданию миоэлектрического протеза, стал Рейнхольд Райтер — инженер, работавший в Германии в 1948 году и помогавший Красному Кресту в Баварии после Второй Мировой войны. Однако на тот момент на исследование нужно было много денег, а обложенное репарациями государство не смогло их выделить.
Пальму первенства перехватили советские ученые — для нашей страны тема людей с ограниченными возможностями после войны тоже была очень острой. По примерным прикидкам, в СССР было 400-500 тыс. человек, потерявших конечности.
В 1957 году советский инженер Арон Кобринский (кстати, он же участвовал в разработке первого в СССР ЧПУ станка 1К62), а также ученые Яков Славуцкий и Виктор Гурфинкель сумели создать первый бионический протез. В нем уже были применены транзисторные схемы усиления сигнала, двигатель постоянного тока с приемлемым соотношением мощность/масса, а также была решена проблема автономности — батарея крепилась к поясу.
Протез работал только на сжатие/разжатие, был шумным и тяжелым, но несмотря на все недостатки стал настоящим прорывом. В 1960 году прошли опытные испытания, и несколько протезов было выдано ампутантам на тестирование. Более того, в 1961 году лицензия на использование протезов была продана в Великобританию и Канаду — там они сразу получили звучное прозвище «Русская рука».
Про историю изобретения рекомендуем прочитать в книге 1972 года «Вот они — роботы» Кобринского, а также «Физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами» другого создателя «Русской руки» — Якова Славуцкого.
В 1963 году в югославском Институте электроники и телекоммуникаций «Михайло Пупин» инженер Райко Томович представил публике «Белградскую кисть» — миоэлектрический протез, в который якобы были встроены сенсоры тактильных ощущений. Верится в это с трудом, потому что только сейчас появляются подобные технологии, а уж 60 лет назад это кажется маловероятным. Всего было выпущено несколько «кистей», одна из которых хранится в музее Белграда.
Изобретение «Бостонской руки»
Появление «Русской руки» показало всему миру, куда может двигаться протезирование и что фантастика уже наступила. Возможно, именно это подстегнуло хирурга-ортопеда Мелвина Глимчера в один из дней 1961 года завести разговор о биопротезировании с Норбертом Винером, отцом современной кибернетики. Тот как раз лежал в больнице с переломом шейки бедра — не самая приятная травма в возрасте 66 лет.
Разговор был не случаен: Глимчер знал, что Винер еще в своем бессмертном трактате «Кибернетика» высказывал идеи об искусственных механических руках, управляемых сигналами нервной системы. Ортопед как раз работал в центре реабилитации ампутантов Liberty Mutual Insurance Co — крупной страховой компании.
С одной стороны, Глимчер переживал за своих пациентов, которые страдали от того, что не могли стать полноценной частью общества. С другой стороны, сама страховая компания была заинтересована в том, чтобы люди могли поскорее вернуться к работе — это позволило бы компании снизить свои расходы на реабилитацию. Звезды сошлись идеально: Liberty Mutual выделила Глимчеру средства на создание протеза, а тут как раз под руку подвернулся гениальный ученый.
Норберт Винер уже мало чем мог помочь сам (к тому времени он уже болел и умер через 3 года), но зато порекомендовал талантливых профессоров из MIT: Амара Бозе и Роберта Манна. Первый специализировался на электронике, второй — проектировал ракетные системы управления.
«Не нужно разрабатывать ракеты, чтобы понимать, что даже в ампутированной руке все еще есть мышцы, которыми мозг по-прежнему управляет. <...> Я инженер и мыслю так, что организм человека — это машина. Кости — это звенья; суставы — опора; мышцы — приводы; связки и ткани — пружины. А если машина ломается, то ее можно починить, не правда ли?», — говорил Роберт Манн.
После этого к работе привлекли еще двух талантливых аспирантов:
Ральфа Альтера, который принялся писать докторскую диссертацию по разработке миоэлектрического протеза, уделяя внимание обработке сигналов и программному обеспечению.
Рональда Ротшильда, также находившегося в процессе написания докторской диссертации, но по теме аппаратной реализации.
В 1961 году группа инженеров вместе с Глимчером даже посещала СССР, чтобы обменяться опытом и посмотреть на изготовление «Русской руки» воочию. Удивительно, что все это происходило в разгар Холодной войны, когда отношения США и СССР были, мягко говоря, не лучшими. Однако проблема адаптации ампутантов и развитие науки оказались выше любых политических разногласий.
Знакомство с изобретением Кобринского показало его ключевые недостатки: шум, большой вес, маленькое усилие на сжатие, большое время отклика и малый уровень заряда. Группа под руководством Бозе и Манна решила разработать свой бионический протез с нуля, не опираясь на исследования коллег по цеху.
В 1965 Глимчер решил дать легкую рекламу амбициозному проекту и послал письмо в местную газету Boston Globe. В ответ вышла статья, в которой разработку группы MIT назвали «черной магией, чем-то дьявольским»: под окнами университета особо бдительные граждане Бостона устраивали небольшие пикеты с требованием «немедленно прекратить то, что я не понимаю».
К счастью, мракобесие проиграло: Ротшильд и Альтер дописали свои диссертации в 1965 и 1966 годах соответственно, а к 1967 году получили прототип работающей руки.
Первая версия «Бостонской руки», как и «Русская рука», не была компактной: в ней использовались массивные никель-кадмиевые батареи, и поначалу конструкция весила свыше 2 кг. Суть работы тоже была похожей: сигналы с электродов отфильтровывались и многократно усиливались схемотехникой, после чего подавались на двигатель — он перемещал «руку», пока сигнал не пропадал. Однако в работе «Бостонской руки» была масса нюансов.
Строго говоря, группа придумала не «Бостонскую руку», а скорее «Бостонский локоть» (прижилось почему-то именно первое название). Он предназначался для сгибания и разгибания локтевого сустава и подходил для ампутантов, у которых ампутация была проведена выше сгиба. То есть как бы не заменял, а дополнял детище Кобринского для людей с разными увечьями.
К руке подключалось три электрода: к бицепсу, трицепсу и заземляющий. Изначально инженеры собирались использовать электроды в форме иглы — подозревая, что так можно будет уменьшить влияние шумов от прилежащих мышц. Однако это оказалось крайне непрактичным и болезненным для пациентов — остановились на поверхностных электродах.
В результате многочисленных экспериментов им удалось подобрать параметры схемы и ФНЧ(фильтра нижних частот): с учетом амплитуды и частоты основного сигнала, времени отклика системы, характера помех и прочего. Постоянная времени фильтра лежала в пределах 200-300 мс и давала хорошие результаты.
В качестве привода использовался двигатель с постоянными магнитами, развивающий момент в 13 Н*м на напряжении 24 В и способный переместить локоть на угол от 10° до 135° менее чем за 0,75 секунды. Заодно работающий очень тихо.
Для передачи вращающего момента и фиксирования руки в нужном положении использовалась система с обгонной муфтой. А для уменьшения рывков — система с двумя контурами обратной связи:
по показанию тензометрических датчиков, расположенных на сгибе и включенных в тензомост,
по значению скорости, рассчитанному на основе показаний противо-ЭДС.
Моделирование работы всей системы проводили на компьютере PDP-1, установленном в лаборатории MIT.
Конечно, еще было много нюансов — кому любопытно, приводим ссылки на полную документацию, где работа по созданию «Бостонской руки расписана подробно, со всеми схемами, расчетами и графиками:
Ralf Alter, BIOELECTRIC CONTROL OF PROSTHESES, 01.12.1966
Ronald Rothchild, DESIGN OF AN EXTERNALLY POWERED ARTIFICIAL ELBOW FOR ELECTROMYOGRAPHIC CONTROL, 21.05.1965
В 1968 году, после удачных испытаний, первая версия была представлена на конференции в Массачусетской больнице. Однако она, как и еще 18 последующих версий бионического протеза, была признана неудачной: им не хватало компактности (батарею приходилось носить в сумке на поясе, как и для «Русской руки») и времени заряда. Только к 1973 году удалось добиться нового дизайна, кардинально уменьшив размер батареи и расположив ее в отсеке под локтевым сгибом, при этом увеличив емкость.
Новая версия «Бостонской руки» весила уже всего около 1,1 кг, поднимала до 23 кг веса и удерживала 22,7 кг в зафиксированном положении благодаря обгонной муфте. Зарядка занимала около 2 часов, а время автономной работы — до 8 часов, стандартный рабочий день. Срок службы составлял пять лет с учетом того, что протез нужно было передавать на платную диагностику раз в год.
«Бостонскую руку» после модификации получили сотни человек: например, ветераны войны во Вьетнаме или пострадавшие от талидомида в Европе. Однако по-настоящему массовому распространению среди людей с ампутацией выше локтя (тут речь идет о десятках тысяч человек — прим. автора) помешала его стоимость. Она составляла $9500 — просто неподъемные деньги для рядового американца, которому из-за дефекта и так тяжело было найти работу. Для сравнения, стоимость тросового локтевого протеза в среднем составляла около $1500.
Несмотря на все это, «Бостонская рука» стала первым массовым бионическим протезом — все последующие модели в той или иной степени опирались на исследования и наработки ученых из MIT.
В 80-х годах в «Бостонскую руку», благодаря усилиям Невилла Хогана, добавился микроконтроллер — это дало возможность конфигурировать протез с компьютера и подстраивать под каждого пользователя:
«Бостонская рука» и другие бионические протезы сейчас
В 1983 году Стивен Якобсон, ученик одного из создателей «Бостонской руки» Роберта Манна, разработал значительно более совершенное устройство — «Руку Юты». Она позволяла уже добиться трех степеней свободы вместо одной. Кроме сгибания локтя, сюда добавилось вращение плеча и предплечье.
Добавление контроллера позволило «зашить» программу управления, которая позволяла бы в реальном времени рассчитывать усилие и угол поворота для каждого серводвигателя. Таким образом, «Рука Юты» была намного больше похожа по поведению на реальную человеческую руку и меньше весила. Однако она имела и существенные недостатки:
грузоподъемность составляла всего около 1 кг против 23 кг у «Бостонской руки» — из-за того, что двигатели и сочленения должны были быть намного легче;
время зарядки составляло 16 часов против 2 часов;
стоимость — 20 000 $ против 9 500$.
Оригинальная статья про «Руку Юты» с описанием математических формул, использующихся для расчета.
По этой причине «Бостонская рука» продолжала продаваться: ведь не все люди могут позволить себе самое лучшее. В каких-то случаях требовалась «золотая середина», когда человек не готов переплачивать за подобный функционал.
Сейчас технологии продолжают развиваться — на Хабре про это регулярно выходят статьи:
теперь люди даже без культей рук получают возможность нормально жить, управляя движением не только локтевого сустава, но и каждого пальца по отдельности,
активно применяются нейросети, благодаря которым бионические протезы со стереокамерой обучаются хватать разные типы предметов,
появилась возможность управлять движением протезов, посылая сигналы не через периферийные нервные волокна, а напрямую из коры головного мозга, при этом ощущая прикосновения.
Как ни странно, «Бостонская рука» продается и сейчас — хоть и намного более доработанная, чем первые версии Альтера и Ротшильда.
Если вас заинтересовала тема протезирования, то по ссылкам можно прочитать об устройстве современной «Бостонской руки», а также познакомиться с программным обеспечением.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
