Как стать автором
Обновить

Высокоточная активная управляемая копия тела человека. Концепция прототипирования системы искусственного механостата

Время на прочтение 7 мин
Количество просмотров 35K


«Человек, как предмет познания — это ключ ко всей науке о природе»
Тейяр Де Шарден
«На перевале всегда дует свежий ветер»
Народная мудрость
«Я двигаюсь туда, куда прилетит шайба, а не туда, где она находится сейчас…»
Уэйн Грецки

Часть первая. Описательная


Атлетическое сложение, быстрые, точные движения захватывают взгляд, красивые и сильные руки легко и просто манипулируют хирургическими инструментами – так нам видятся тестовые испытания модели тела человека, робота-аватара, созданного новыми технологиями из множества современных полимерных материалов. Жизнь в тело искусственного атлета вдыхает энергия графеновых батарей, его нервы – оптически активные метаматериалы, мысль — высококогерентное излучение, его мозг – нейронная сеть оптических процессоров…

Лирическое начало


И, все-таки, эта фантастическая картина становится реальностью. В настоящее время созданы технологии воспроизведения сверхмалых объектов с большой точностью, изобретены и получены полимерные материалы с заданными механическими и физическими свойствами, достигнуты эффекты сократимости и проводимости, обратного светопреломления, пьезоэффекты и эффекты высокой проводимости. Биомеханические разработки достигли предельной точности, описан исчерпывающий математический аппарат движения, активно создаются точные интерфейсы «человек-машина». В руках ученых находится прекрасная подсказка в виде созданных живой природой ювелирно точных инженерных решений и архитектурных форм, обеспечивающих свободные и тонкие движения, речь, слух, кровообращение, дыхание и так далее.

Физическое продолжение


За лирическим началом стоят следующие научные достижения:
— Подробнейшим образом изученная анатомия и физиология живых систем.
— Прецизионно изученная биомеханика и методика ее моделирования, представленные в виде параметрических трехмерных моделей тела человека и животных в статике и динамике.
— Математический аппарат, описывающий многоуровневую структуру и функцию живого тела, использующий матричные методы представления и анализа.
— Возможность создания высокоточных копий трехмерных объектов размерами порядка десятков нанометров при помощи разных способов печати.
— Множество созданных полимеров, пригодных для трехмерной печати (в т.ч. оптически активные, сократимые, сегнетоэлектрики, метаматериалы и пресловутый графен и так далее).
— Достижения квантовой оптики в моделировании процессов передачи и обработки информации, реализуемых в биологических объектах.
— Достижения в создании нейроинтерфейсов, органических возбудимых структур и даже биологического источника высококогерентного излучения.



Физика и биофизика, математика и генетика, биология, оптика и материаловедение, химия, кибернетика и антропология: эволюция научной мысли стремительно идет вперед и уже сейчас предоставляет возможность разработки артифициальной сенсорно-моторной системы – бионического робота, аватара, высокоточной управляемой копии тела человека.

«Зачем это нужно?»


– спросите Вы. Первое, что приходит в голову – дублер человека в сложных и опасных условиях работы. Имея сенсорный интерфейс, биологически близкий человеку, такой робот будет необходим там, где нужен именно человек, с его точными руками, тонкими движениями, зрением и слухом, там, где человек может потерять здоровье и жизнь. Водолазные погружения, подземные и высотные работы, тушение пожаров – очевидные виды деятельности, требующие дублера-аватара.
Робот-полицейский, управляемый офицером-оператором, весьма очевидная альтернатива опасной службе. Действия десантно-штурмовых и разведывательных подразделений, управляемые опытными операторами, станут гораздо эффективнее без риска потерять жизнь человека.
Один квалифицированный хирург-оператор при помощи нескольких роботов-аватаров, имеющих движения и чувства человека, сможет весьма эффективно обеспечивать оказание помощи в отдаленных и труднодоступных районах нашей планеты. Полеты в космос, в конце концов, могут быть с успехом дублированы такими роботами.

Второе, что приходит в голову – это применения множества технологий, используемых на основе создания концепции прототипирования системы органов опоры и движения человека. Назовем его искусственным механостатом — системой, выполняющей функцию иерархически организованного управляемого сенсомоторного анализатора, реализующуюся в виде динамической опоры, движения и защиты. Мы достаточно вольно пользуемся этим термином (пока), поскольку теория механостата в биологических системах с накоплением данных все более теряет свою состоятельность.



Итак, технологии:


1. Изучение динамики движения живого объекта с учетом сохранения и воспроизведения всех его анатомических структур требует точного подбора способов диагностики. Эти способы, будучи подобранными и(или) разработанными, станут весьма мощным диагностическим и прогностическим инструментом в руках врачей. Нынче оценка взаимной подвижности органов и тканей в движении отличается не высоким разрешением на доступных нам томографах с открытой гибкой катушкой (специальные сканеры с открытой вертикальной апертурой пока нам не доступны, результаты сканирования на них имеют высокие показатели качества) или узким локусом исследования (ультрасонография) со средними показателями разрешения и не до конца ясными пределами измерений. Двухплоскостная рентгенография дает точные результаты измерения сложных траекторий костей, но не дает изображений смещающихся мягких тканей.
О макросъемке движений сегментов тела можно говорить лишь в условиях целостности кожи, то есть съемка активных движений возможна только поверхностного слоя у живого человека. Подвижность тканей препарируемого тканевого блока трупа не даст точных настоящих движений. В общем – нужен надежный и очень нужный в диагностике кинезиографический способ визуализации тончайших взаимоотношений всех структур подвижных сегментов, и он, как видите, отсутствует.

2. Полученное сложное изображение форматируется в параметрическую модель САПР. Современные системы проектирования позволяют смоделировать особенности движения в сегментах, оценить их оптимальность и создать измененные сегменты, модели бионических протезов или эндопротезов суставов, имеющих индивидуально оптимизированный полноценный искусственный капсульно-связочный аппарат. Срок службы и качество эксплуатации воссозданного протеза, очевидно, должны увеличится весьма значительно. Заглянув немного дальше в будущее, применив активные полимеры и добавив сложный нейроинтерфейс, можно получить бионическую часть тела, едва ли отличную от собственной по рождаемым ощущениям и возможностям. Значительная мера индивидуализации бионических протезов бесспорно станет основой длительного и стойкого эффекта лечения ряда заболеваний, травм и их последствий.



3. Созданные подвижные полимерные тканевые блоки, обладающие высокой степенью анатомической идентичности, могут быть использованы в качестве учебных пособий для отработки хирургами навыков высокой сложности и ответственности в разделе современной минимально инвазивной хирургии. Существующие на данный момент тренажерные комплексы либо слишком формальны и создают у хирурга упрощенную картину его действий, либо очень дороги в цене и обслуживании и так же не отличаются в лучшую сторону в качестве приобретения кинестетических навыков, либо это тканевые блоки трупа, сохраняющие риск инфицирования хирурга и требующие сложной подготовки, хранения и массы документации.

Артроскопия, эндовидеохирургия многих областей тела, включая головной мозг, многоэтапные сложные хирургический вмешательства – навыки современных направлений хирургии могут быть надежно привиты за достаточно короткое время. Разумеется, возможно моделирование разной патологии, в том числе, отработка сложного предстоящего вмешательства у очень необычного пациента при помощи штатного, а не формального учебного инструментария. В настоящее время нами разрабатывается технология создания тренажерных комплексов и методик обучения для хирургов; по нашему мнению, такой подход позволит формировать стойкие и надежные кинестетические навыки хирурга на искусственных тканевых блоках, имеющих высокую степень анатомического соответствия.



Применение биомеханических принципов в создании подвижных соединений позволяет решить ряд технических задач в механике. Например, многорычажная подвеска в свое время была серьезным шагом вперед в автомобилестроении. Запястье и плюсна человека является оптимальной многорычажной композицией, позволяющей перераспределять нагрузку путем перевода линейного движения в угловое. Конструкция металлического амортизатора, реализующего природные архитектурные решения, представляется более надежной, долговечной и значительно более качественной в эксплуатации. Простота и изящество такого решения, активная и легкая управляемость устройства сделают поездки куда более комфортными и безопасными.

Примеров и удивительных фактов хочется привести еще много, но пора подводить некоторые итоги:
1. Очевидно перспективное применение природных архитектурных и функциональных решений в науке и технике.
2. Существует сложный математический описательный аппарат структуры и функции биологических объектов.
3. Существует возможность создания высокоточных сложных трехмерных объектов при помощи разных видов трехмерной печати.
4. Существуют способы создания активных полимерных соединений, имеющих свойства, близкие к биологическим.
5. Разрабатываются способы моделирования артифициального нервного процесса на основе оптической электроники.
6. Существуют и активно разрабатываются нейроинтерфейсы и программное обеспечение к ним.



Ich will...


Своими задачами в ближайшее время мы видим прототипирование отдельных сегментов тела на основании исследований их микробиомеханики. Важнейшим моментом рассматриваем необходимость воссоздания комплексов скольжения (биологических пар трения), так называемой мультивакуолярной абсорбирующей скользящей системы. Структуры, обеспечивающие скольжение в биологическом объекте имеют псевдоикосаэдральную самоподобную многоуровневую морфологическую организацию, описываемую фрактальной функцией – это микроуровень организации движения. На макроуровне очень интересным разделом представляется прототипирование сегмента «локоть-предплечье-запястье-кисть»: предплечье представляет собой параллелепипед с диагональной осью упругой торсионной деформации, запястье – трехзвенная механическая система, кисть – одна сплошная загадка… Весьма увлекательным представляется воссоздание движений позвонков в позвоночных двигательных сегментах, осуществляющихся вокруг и вдоль трех осей одновременно при условии взаимно перпендикулярного расположения плоскостей суставов каждого позвонка. Отдельной задачей, требующей обязательного решения, является прототипирование анализатора звука и равновесия, поскольку на данном этапе робототехники инженерное решение контроля статики и динамики представляет проблему, а природа уже очень давно представила ее деликатное решение.



Проблематика, на наш взгляд, чрезвычайно интересна и крайне перспективна. Вполне обоснованным представляется поиск концепции прототипирования эволюционно значимых природных инженерных решений, «биологического смысла» — полезных приспособительных результатов; пройдет время и эта наука станет весьма востребованной в сферах, которые еще даже не созданы.

Целью настоящей статьи явилось желание поделиться с аудиторией своими замыслами, услышать мнения специалистов разных дисциплин, что, бесспорно, расширит круги наших поисков и, может быть, найти людей, имеющих волю к созданию целой отрасли – бионической робототехники, объединяющей в себе множество наук и дающей возможность интересной и плодотворной работы, наверное, тысячам ученых на несколько десятилетий.
Теги:
Хабы:
+20
Комментарии 29
Комментарии Комментарии 29

Публикации

Истории

Ближайшие события

Московский туристический хакатон
Дата 23 марта – 7 апреля
Место
Москва Онлайн
Геймтон «DatsEdenSpace» от DatsTeam
Дата 5 – 6 апреля
Время 17:00 – 20:00
Место
Онлайн