Киберпротезы: как технологии дополняют человека

От бронзовой ноги из позапозапрошлого тысячелетия до киборга: как развивались технологии, помогающие людям с ограниченными возможностями здоровья.

Киборги уже среди нас. Не верите? Посмотрите CYBATHLON 2020 — соревнования, в которых люди с ограниченными возможностями здоровья с помощью современных технологий решают задачи, с которыми еще недавно не могли справиться. Мероприятие прошло в середине ноября, а «Лаборатория Касперского» выступила на нем партнером российской команды.

Что такое CYBATHLON

CYBATHLON — это не просто соревнования. Организует чемпионат Швейцарская высшая техническая школа Цюриха, среди выпускников которой целый ряд выдающихся ученых, в том числе Вильгельм Конрад Рентген, Джон фон Нейман и Альберт Эйнштейн. Организаторы видят CYBATHLON как платформу для развития ассистивных технологий, позволяющих людям с ограниченными возможностями здоровья жить максимально полноценной жизнью.

CYBATHLON проходит в шести дисциплинах: протезы рук (ARM), протезы ног (LEG), экзоскелеты (EXO), инвалидные коляски (WHL), функциональная электростимуляция (FES) и интерфейсы «человек-компьютер» (BCI).

Участники чемпионата не только состязаются за звание лучшего, но и демонстрируют возможности ассистивных устройств. Например, современные протезы рук позволяют закручивать лампочки и даже определять на ощупь, что лежит в ящике, а инвалидные коляски — подниматься по лестнице. А еще киборги мотивируют разработчиков совершенствовать свою продукцию, ведь это соревнования одновременно и спортсменов, и технологий, которые им помогают. Именно о технологиях — их прошлом, настоящем и будущем — мы расскажем в этом посте.

Протезы: от бронзовой ноги к киберконечностям с нейроинтерфейсом

Протезы появились еще до нашей эры. Впервые искусственная конечность упоминается в Ригведе, текст которой датируется вторым тысячелетием до нашей эры: легендарной воительнице Вишпале боги подарили железную ногу взамен утраченной. Археологические протезы не сильно моложе легендарных: например, найденному в Египте деревянному большому пальцу приблизительно 3000 лет, а бронзовой ноге, обнаруженной в итальянском городе Капуе — около 2300.

Несмотря на древнее происхождение, долгое время искусственные конечности практически не развивались. Только в XVI веке ученые создали первые механические протезы — с шарнирными суставами и возможностью управлять ими (с помощью другой конечности или за счет сокращения мышц в культе).

После Второй мировой войны появился еще один тип искусственных конечностей — биоэлектрический (он же миоэлектрический или бионический). Такие протезы преобразуют мышечную активность в культе в электрический сигнал, который, в свою очередь, приводит в движение ту или иную часть протеза.

В XXI веке ученые делают следующий большой шаг вперед: разрабатывают нейробионические протезы, позволяющие не только совершать определенный набор движений, но и до известной меры распознавать предметы на ощупь. Правда, эта технология еще молода, и до полного воссоздания осязания ей еще расти и расти.

Протезы сегодня

Новые технологии не вытесняют, а дополняют уже существующие: сегодня используются самые разные протезы, даже чисто косметические (если задача — хорошо выглядеть во время публичных выступлений, к примеру). Просто у каждого вида своя сфера применения.

Механические протезы дешевле, проще в освоении и выносливее, чем бионические. Они лучше подойдут, например, для поднятия тяжестей, контакта с водой — а еще для использования там, где нет электричества. В свою очередь, бионические и нейробионические протезы комфортнее в ношении, предоставляют более широкий спектр возможностей (например, киберноги позволяют удерживать равновесие, подниматься и спускаться по ступеням, пятиться и даже бегать).

Специализация протезов

Существуют и узкоспециализированные протезы, созданные для использования в определенных условиях или для определенной работы. Например, отечественная компания «Орто-Космос» производит специальные протезы для купания. В продаже можно найти искусственные конечности для самых разных типов активности — скажем, для баскетбола, бега и других видов спорта.

Свой вклад в развитие искусственных конечностей внесли и технологии 3D-печати. Благодаря им протезирование в наши дни стало дешевле, а индивидуальная подстройка — доступнее, чем раньше. В некоторых случаях напечатать искусственную конечность можно даже самостоятельно — по моделям из интернета. Достаточно подогнать схему под нужные параметры.

Протез-гаджет

Еще одно современное направление развития киберконечностей — объединение их с существующими цифровыми технологиями. Например, в этом году российская компания «Моторика» встроила в протез руки умные часы Galaxy Watch. С их помощью пользователь может, в частности, измерять свою активность и управлять параметрами протеза — например, регулировать сжатие руки и захват пальцев.

Коляски-вездеходы

Инвалидные коляски тоже помогают людям с ограниченными возможностями более тысячи лет. Первые упоминания о них относятся к VI веку н. э. До середины XVII века они представляли собой кресла на колесах, которые должен был толкать слуга или помощник владельца.

В 1655 году появилась первая коляска с ручным управлением. А в начале XX века в Америке создали первую складную модель.

В наше время помимо классических инвалидных колясок существуют модели с электрическим приводом, гусеничные коляски, способные подниматься и спускаться по лестницам, и даже коляски, управляемые силой мысли, через нейроинтерфейс.

Электростимуляция и экзоскелеты

Параллельно с развитием инвалидных колясок ученые разрабатывают и устройства, позволяющие парализованному человеку встать на ноги. Так, электростимуляцию как терапевтический метод практиковали… еще в Древнем Египте! Тогда с этой целью использовали электрических скатов. Позже на смену рыбам пришли электростимулирующие устройства. В состязаниях CYBATHLON участвуют специальные велосипеды, которые с помощью электрических сигналов заставляют мышцы парализованного человека сокращаться и крутить педали.

Первый прообраз еще одной реабилитационной технологии — экзоскелета — появился в 1890 году. Для его работы человеку приходилось делать определенные усилия, но ходить, бегать и прыгать за счет сжатого газа было легче, чем без такого костюма. В 1917 году был запатентован паровой экзоскелет. Уже во второй половине XX века появились электрические, пневматические и гидравлические модели.

Современные экзоскелеты весят меньше своих прародителей, они проще в освоении и дают больше возможностей для восстановления способности двигаться самостоятельно. Некоторые из них позволяют подключаться к облаку для хранения и обработки данных о ходе реабилитации. Новейшими разработками, как и инвалидными колясками, можно управлять с помощью импульсов головного мозга.

Нейроинтерфейсы

Фантастическая технология, стоящая за управляемыми силой мысли устройствами, называется нейроинтерфейсом, или интерфейсом «мозг — компьютер» (Brain-Computer Interface, сокращенно BCI). Такие системы впервые появились в 70-е годы прошлого века и сейчас активно развиваются.

Датчики BCI можно имплантировать непосредственно в кору головного мозга, помещать внутрь черепа или закреплять снаружи. Первый способ позволяет получить изначально лучшее качество сигнала из всех возможных, однако впоследствии оно может снизиться, если организм отвергнет имплант. Самыми распространенными на сегодняшний день являются неинвазивные BCI, то есть те, которые не требуют хирургического вмешательства для установки.

Чаще всего для считывания мозговой активности используется электроэнцефалография. Однако есть и другие способы «читать мысли». Так, уже в 80-е годы прошлого века исследователи пытались управлять роботом с помощью движения глаз. А в 2016 году ученые представили BCI, считывающий размер зрачка.

Сфера применения нейроинтерфейсов довольно широка. Например, с помощью вживленных в мозг имплантов еще на заре развития BCI ученые пытались лечить приобретенную слепоту. Существуют уже упомянутые выше проекты по управлению колясками и экзоскелетами через нейроинтерфейсы. А участники CYBATHLON 2020 должны были силой мысли пройти компьютерную игру.

Что на горизонте?

Ассистивные технологии развиваются сегодня как никогда быстро. Какие чудеса ждут нас в ближайшем будущем — можно только гадать. Впрочем, кое-какие предположения у поставщиков ассистивных устройств есть.

Так, представители компании «Нейроботикс», специализирующейся на нейроинтерфейсах, отмечают, что сейчас основные разработки направлены на то, чтобы помочь людям с ограниченными возможностями здоровья решать бытовые задачи: управлять колясками и умным домом с помощью BCI, общаться через «нейрочаты» в Интернете.

Однако до выхода этой технологии в массы, по мнению «Нейроботикс», пока далеко: точность «чтения мыслей» сильно уступает точности команд, которые пользователь отправляет с помощью клавиатуры, мыши или джойстика. В компании предполагают, что использовать BCI как эффективную замену более привычным интерфейсам обыватели смогут лет через 100–200, не раньше.

А вот Илон Маск, работающий над BCI-имплантом Neuralink, планирует выводить свой проект на потребительский рынок. Правда, пока непонятно, когда это будет и будет ли устройство иметь успех: все-таки имплантация — это достаточно серьезный шаг, на который не каждый пойдет без нужды.

Впрочем, не только Илон Маск смотрит в будущее смело. Хотите больше самых фантастических предсказаний? В проекте «Земля 2050» наши пользователи делятся своими идеями — от принципиально новых органов чувств до «магазина тел», в котором можно обновить себя целиком.

Активируем будущее

Каким бы ни было наше будущее, важно помнить, что создаем его мы — здесь и сейчас. Поэтому мы поддерживаем разработчиков ассистивных технологий, как и другие начинания, направленные на то, чтобы сделать этот мир лучше. Ведь эти специалисты вместе с организаторами CYBATHLON работают над комфортным будущим для всех.

01.12.2020