Позволяют работать с мелкими предметами, чувствуют боль, частично возвращают зрение: что могут бионические протезы

Обзор рынка.

Ежегодно в мире проводят более миллиона ампутаций — каждые 30 секунд. За год в США операцию проводят более 185 тысячам человек — около 400 ампутаций на миллион жителей. В России на миллион человек их более 500.

Ситуацию усложняет недоступность современных протезов — в мире один из десяти человек приобретает себе бионическую конечность.

Основная причина — сложность производства. Технология протезирования — это комплексная разработка. В ней применяют знания из инженерии, медицины, биологии и психологии. Добиться лёгкости и повышенной прочности протезов помогают материалы нового поколения, такие как углеродное волокно и легкие сплавы.

Компактные и эффективные двигатели, высокоёмкостные аккумуляторы помогают сделать эти устройства мобильными и простыми в использовании. Подобные технологии влияют положительно на качество современных протезов, но вызывают их удорожание.

По данным американской аналитической компании Frost & Sullivan, цена современных усовершенствованных протезов варьируется от $5000 до $50 тысяч.

Статистика:

Большое влияние на доступность современных протезов оказала технология 3D-печати. Она позволяет быстро и легко создавать недорогие, но функциональные протезы, что снижает их конечную стоимость для потребителя и создаёт перспективы для развития отрасли.

По данным исследовательской компании Grand View Research, объём мирового рынка роботизированного протезирования в 2016 году достиг $790,8 млн, а к 2025 году эта сумма вырастет до $1,75 млрд. На рост рынка также влияют развитие технологий, глобальное увеличение числа случаев ампутации и инициативы НКО.

Термин «bionic» придумал в 1958 году американский врач и военный Джек Стил во время аэрокосмических медицинских исследований. Слово образовано от древнегреческого «bios» и суффикса «-ic» — «единица жизни».

Джек Стил исследовал сложные природные процессы и структуры, после чего пытался перенести их полезные функции в технические разработки для военных США.

Его работы по бионике, а также исследования по кибернетике вдохновили писателя-фантаста и авиационного эксперта Мартина Кейдина — в 1972 году он выпустил книгу «Киборг», в которой сделал прямую отсылку на майора Джека Стила. Произведение легло в основу сериалов «Человек за шесть миллионов долларов» и «Бионическая женщина».

Бионика подарила миру застежку-липучку, биомиметическую шкуру акулы и одно из важнейших изобретений последних десятилетий — бионический протез.

Современные протезы глубоко интегрируются со своим владельцем — они имитируют естественные движения человека и отслеживают мышечную или нервную активность организма, а некоторыми из них можно управлять с помощью силы мысли.

В 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны США (DARPA) провело пробный полёт на авиасимуляторе F-35, которым управляла парализованная женщина. Пара нейронных передатчиков преобразовывала её мысли в компьютерные команды, благодаря чему она успешно управляла самолетом.

Таким же образом она двигала механической рукой — сжимала и разжимала пальцы.

В 2019 году протезирование применяют в создании не только искусственных конечностей, но и создают первые прототипы органов, например, глаз.

Первые протезы появились более 3000 лет назад в Древнем Египте. При раскопках на ногах мумий археологи обнаружили деревянные пальцы — их использовали для того, чтобы избежать мозолей от ношения сандалий.

До недавнего времени современные протезы выполняли косметическую функцию — имитировали отсутствующую конечность. Но в последние десятилетия технология протезирования получила мощное развитие, во многом это произошло благодаря внедрению разработок из робототехники.

Современные бионические протезы практически не отличаются от настоящих биологических конечностей. Но это касается только их характеристик, а внешне протезы нового поколения не пытаются маскироваться и мало похожи на обычные ноги. Во многом они стали способом самовыражения — на них наклеивают языки пламени, рисуют футбольные логотипы, оставляют автографы и делают яркие принты.

Первый в мире коммерчески доступный бионический протез нижней конечности Symbionic Leg разработала исландская компания Össur.

В 2013 году компания представила третье поколение протеза — Symbionic Leg 3. Он оснащен коленом с микропроцессорным управлением RHEO knee 3 — оно автоматически подстраивается под особенности ходьбы владельца. Также протез использует бионические лодыжки, которые самостоятельно определяют поверхность и адаптируются под условия местности.

Происходит это благодаря работе имплантированных миоэлектрических датчиков, которые хирургически размещены в остаточной мышечной ткани человека. Имплантанты считывают сигналы, которые посылает мозг через нервную систему, и автоматически управляют протезом. Процесс проходит без каких-либо сознательных усилий — как если бы человек просто шевелил ногой.

На сайте Össur не указана стоимость Symbionic Leg 3, но на Ebay подержанную модель предлагают за $9999 (655 тысяч рублей).

Компанию Össur основал протезист Оссур Кристинссон в 1971 году. В 2013 году капитализация компании превысила $400 млн, а чистый доход $41 млн. Около 10% от своих продаж Össur вкладывает в отделы исследований и разработок (R&D). С 2000 года Össur приобрела 16 компаний:

Touch Bionics — создатель первой в мире коммерчески доступной бионической руки i-limb.

У протеза i-limb тонкие пальцы, каждый из которых выдерживает вес до 25 килограмм и двигается отдельно от остальных при помощи специальных моторов. Благодаря этому человек может взаимодействовать с мелкими предметами.

Рука крепится к гнезду круговым движением, при желании ее можно также просто открутить.

В гнезде спрятана розетка с батареями, проводами и двумя электродами, которые подсоединяются к коже. Один из них отвечает за разгибание руки, а другой — за сгибание. Чтобы произошло нужное действие, пользователю необходимо отправить сигнал мышцам. Для этого необходимо тренироваться, как правило, на привыкание к протезу уходит около недели.

В течение этого времени человек учится направлять сигнал нужному электроду — сгибать, разгибать руку и поворачивать запястье.

Протез i-limb настраивается через мобильное приложения my i-limb и biosim. С помощью них можно конфигурировать пальцы на одну из 36 различных схем захвата, что позволяет получить необходимую конфигурацию руки для конкретной задачи — от завязывания бантика до работы с компьютерной мышью. Стоимость протеза i-limb варьируется от $60 тысяч до $120 тысяч (от 4 млн рублей до 8 млн рублей).

Компания Össur приобрела Touch Bionics в 2016 году. В 2018 году Össur вложила $7,5 млн в развитие технологии миоэлектрического протезирования кистей рук от Touch Bionics. Такой протез питается от остаточной нервно-мышечной энергии человеческого тела и не требует дополнительных ремней или кабелей с электрическим переключателем. Первую миоэлектрическую руку разработали в СССР в 1958 году.

Бионическая рука Bebionic чувствительная — она умеет считывать прикосновения. Кончики пальцев протеза покрыты специальной электронной кожей edermis, которая состоит из нескольких слоев датчиков давления.

Нижний слой покрыт механорецепторами — они передают ощущения от прикосновений к тупым предметам. В верхнем слое работают ноцицепторы — они дают ощущение боли, например, от прикосновения к горячей кружке.

Оба уровня сенсоров протеза реагируют как в отдельности, так и вместе. Если человек возьмет острый предмет и уколет палец, то на бионической конечности одновременно активируются датчики как прикосновения, так и болевых ощущений.

Почувствовав необходимое распределение давления, протез понимает, что человеку больно, и за доли секунды информация от датчиков давления в форме электрических сигналов проходит через электроды, которые стимулируют нервы в плече человека. После этого протез автоматически разжимает пальцы, имитируя таким образом человеческий болевой рефлекс.

Протезы руки доступны с тремя вариантами запястья:

Пользователю Bebionic доступны 14 схем захвата и положения рук. По словам разработчиков, их хватает для выполнения повседневных задач. Цена протеза более $10 тысяч.

Hero Arm — разработка компании Open Bionics и Disney. Основная аудитория — дети, но протезом могут пользоваться и взрослые.

При 3D-печати используют тонкие слои пластика, что делает протез легким — менее 1 килограмма, а также даёт возможность для дальнейшей кастомизации: на устройство крепятся сменные пластины, которые придают ему оригинальный вид.

Сотрудничество с Disney позволяет Open Bionics создавать протезы с отсылками к популярным фильмам, например, «Железному человеку», «Звёздным войнам», мультфильму «Холодное сердце», компьютерной игре Deus Ex и другим.

Благодаря 3D-печати компания удешевила и упростила производство — протез собирается всего за день. Стоимость устройства около $7000 (460 тысяч рублей).

Чтобы определить индивидуальные особенности протеза, врачи проводят компьютерную и магнитно-резонансную томографию пациента, а также трехмерное сканирование.

После этого они отправляют файл с измерениями специалистам по работе с САПР — системой для автоматизированного проектирования. Программа анализирует изображения и специалисты создают точную трехмерную анатомическую картину тела пациента. После этого 3D-принтер печатает макет и необходимые детали.

Протез способен поднять до 8 килограмм, запястье — поворачиваться на 180˚. Датчики в Hero Arm определяют движения мышц и позволяют управлять бионической рукой с высокой точностью. Протез умеет присылать уведомления с помощью тактильных вибраций, звуковых и световых сигналов.

Также он оснащён двигателями, программным обеспечением и аккумуляторами. Для большего удобства у протеза есть режим заморозки — можно зафиксировать руку и держать её в неподвижном положении, например, чтобы взять маленькие шарики.

Open Bionics основали в 2014 году британские предприниматели Джоэл Гиббард и Саманта Пейн. В 2018 году они выиграли номинацию «Самые горячие основатели стартапа» Europas Awards 2018, а в 2017 году Open Bionics получили награду в $1 млн на AI & Robotics Award for Good в ОАЭ. Всего с апреля 2014 года компания получила $8,8 млн финансирования от частных инвесторов.

Argus II — первый в мире бионический аналог сетчатки человеческого глаза, который стал доступен как коммерческий продукт. Его разработала американская компания Second Sight. В 2018 году она получила грант в размере $1,6 млн на развитие от национальных институтов США.

Argus II частично восстанавливает зрение благодаря технологии электрической стимуляции. Ток обходит уже не функционирующие клетки сетчатки и стимулирует оставшиеся жизнеспособные клетки, чем вызывает зрительное восприятие у людей с пигментным ретинитом — этой болезнью страдают более 1,5 млн человек по всему миру.

На очках пациента установлена видеокамера, с нее система Argus II преобразовывает изображения в серию небольших электрических импульсов. Впоследствии они передаются по беспроводной сети на массив электродов, которые имплантированы на поверхность сетчатки, и стимулируют оставшиеся клетки. Это помогает мозгу воспринимать свет и частично восстанавливает зрение.

Профессор Массачусетского технологического института (MIT) Хью Герр потерял две ноги и передвигается благодаря двум бионическим протезам. Профессор ведёт активный образ жизни и в свободное время занимается скалолазанием. В 2011 году журнал Time назвал его «лидером бионической эпохи» благодаря работе в области биомехатроники — технологии, которая объединяет физиологию человека с электромеханикой.

В 2014 году команда Герра разработала первый в мире автономный экзоскелет голеностопного сустава, который снижает количество затрачиваемой энергии при ходьбе.

Коллега Хью Герра профессор Эд Бойден работает в области изучения возможностей мозга. В 2011 году он нашёл способ борьбы с некоторыми видами слепоты.

Для этого он внедрил гены светочувствительных белков в клетки мозга мыши и выборочно активировал и деактивировал отдельные нейроны с помощью оптоволоконных имплантатов. После этого животное прозрело.

#протезы #бионика