ЧЕЛОВЕК И УМНЫЕ ЗАПЧАСТИ: СЕНСОРЫ
Искусственные конечности, управляемые искусственным интеллектом, способны самостоятельно оценивать окружающую обстановку и предугадывать намерения своего хозяина. Легко представить себе день, когда построенные на их основе механизмы смогут пригодиться и абсолютно здоровым людям.
|
По земле пока ходит не так уж много субъектов, которых можно было бы назвать настоящими биомеханическими гибридами, так что встреча с фермером Дэвидом для любого станет сюрпризом. Рыжий, пышущий здоровьем и неугасимым весельем здоровяк встречает нас на посыпанном гравием проезде, ведущем к его мастерской. 30-летний механик без колебаний спрыгивает со своего огромного трактора, пробирается среди вездеходов и раскиданных повсюду тракторных запчастей. Он хватается то за одно, то за другое дело, даже не задумываясь, что в некоторой степени он уже не человек, а машина. Ломай - не стесняйся Дэвид носит хитроумный протез левой ноги, которую потерял в автомобильной аварии. Сегодня протез должны заменить. Вот почему на ферму, где живет и работает Дэвид Ингвасон, приехали инженеры из компании Еssur. Штаб-квартира этого крупного производителя протезов расположена в Рейкьявике (Исландия), в часе езды от фермы Дэвида. Обычный исландский крестьянин, он оказался в избранном кругу инвалидов, которых обеспечили протезом марки Symbionic Leg. Это интегральная бионическая конструкция, включающая в себя искусственные колено, лодыжку и стопу. Свою искусственную ногу Ингвасон регулярно ломает, хозяйничая на ферме, разъезжая по окружающим пустошам, поросшим высокой травой, лазая по затянутым мхом вулканическим плоскогорьям. Приводы забиваются глиной, механика стонет под непрерывными нагрузками, пока технический шедевр стоимостью больше иного седана не превращается в мертвую железяку, набитую электроникой. Как объясняет Магнус Оддсон, отвечающий за разработку новой техники в компании Еssur, при любых осложнениях от Ингвасона требуется всего лишь позвонить, и сотрудники компании тут же привезут ему новую ногу, причем совершенно бесплатно. Ведь для фирмы все повреждения, которые испытатель наносит протезу в результате крайне небрежного обращения, - источник весьма ценной информации. Когда ноге не нужен мозг Прошлой осенью компания Еssur выпустила в продажу модель Symbionic - первую в мире искусственную ногу с электронным управлением, доработанную до уровня массового производства. Это выдающаяся веха в истории разработки протезов. Нога Ингвасона выступает, по сути, в роли самостоятельного робота, напичканного датчиками, которые исследуют окружающую среду и угадывают намерения хозяина. Специальные процессоры вычисляют, на какой угол должна выдвинуться при шаге искусственная нога. Та же идеология закладывается в конструкции искусственных рук, когда сложнейшие алгоритмы помогают определить, с каким усилием нужно схватить пластиковую бутылку с водой или как спружинить, упершись в пол при падении. Протезы, чье действие основано на самостоятельном видении и слухе, полностью обходятся без поврежденных органов чувств. Все эти бионические системы способны активно подстраиваться под характер своих владельцев. Служа человеческому телу, они восстанавливают его функции. Возьмем один из характерных случаев, когда человека может подвести протез традиционной конструкции. Обычно механическое колено фиксируется намертво, когда пятка касается земли. Таким образом, протез поддерживает вес человеческого тела. Когда вес переходит на носок, колено разблокируется. Но если носок касается земли слишком рано, искусственная нога может самопроизвольно сложиться под весом хозяина. Протез типа Symbionic Leg обмануть не просто. Датчики усилия и акселерометры постоянно отслеживают положение ноги по отношению к ее владельцу и к окружающим предметам. Встроенные процессоры анализируют все входные данные с частотой 1000 замеров в секунду и оперативно принимают оптимальные решения - когда приложить усилие, а когда его снять. Для того чтобы фиксировать или отпускать коленный сустав, здесь нужно нечто большее, чем просто чувствительное касание земли носком ступни. Но, допустим, умный протез как-то ошибется, просчитывая ситуацию, - тогда первый же импульс, указывающий на то, что его владелец готов упасть, запускает в действие программу по восстановлению равновесия. Приводы сразу же вдвое замедлят свое движение, а магнитная жидкость, заполняющая колено, станет более вязкой, повышая сопротивление. Если верить Ингвасону, вся система работает так, что он почти никогда не падает - по крайней мере реже, чем это бывало, когда он ходил на своих ногах. Новый протез Ингвасона - это следующая модель Symbionic Leg, заряженная модернизированными программами. С их помощью колено и лодыжка смогут осмысленно взаимодействовать между собой. В ближайшие годы компания Еssur собирается создать своего рода «сетевой разум». Но вот новый протез уже на ноге. Поначалу Ингвасон довольно неуклюже заковылял через свой грязный двор, заваленный ржавыми останками тракторов и легковушек. Но всего через несколько минут робот подстроился под своего хозяина. Сначала строить, потом - выращивать Каким в компании Еssur видят будущее? «Хорошо было бы, говорит Оддсон, - собрать все знания, которые накоплены в компании Еssur, и разработать нечто, вообще игнорирующее нервную систему человека. Это будет не экзоскелет. Правильнее было бы назвать такую концепцию «Умные штаны». На первых порах она может быть подспорьем для парализованных. Такое устройство стало бы стимулировать мускулы, генерируя те команды, которые уже не способны выдавать мозг или поврежденные нервы. Можно было бы использовать уже имеющиеся приводы, то есть человеческие мускулы, но приладить к ним новый центральный контроллер». А в самой дальней перспективе, считает Оддсон, протезирование как отдельная отрасль науки и техники должно исчезнуть вообще, уступив место будущим технологиям восстановления утраченных органов. К 2050 году, предсказывает он, конечности можно будет создавать с нуля. Кто знает, будут ли их выращивать или строить на основе печатной технологии? Все сокровенные биомеханические тайны, раскрытые такими компаниями, как, к примеру, Еssur, будут сведены в единую упряжку для восстановления человеческой плоти по новым технологиям. Забавно слушать такие оптимистические прогнозы, в которых специалист предсказывает, что его отрасль уйдет со сцены благодаря ее же собственному эффективному развитию и уступит свое место другим областям знания. Правда, вся наработанная изощреннейшая техника не пропадет втуне - она будет реализована в новых устройствах, которые изменят жизнь миллионов людей, как больных, так и вполне здоровых.
Видео: Запчасти для людейРубрика: Технологии / Добавлено 19.06.12
Распечатанные кости и органы из лаборатории Июль 2012 |
| Как работает робот-протез
Старые проблемы Использование протезов влечет за собой, как правило, проблемы со здоровьем. В чисто механических ножных протезах используется сложная система рычагов и защелок. Именно она позволяет инвалидам ходить, но свободной эта походка никогда не будет, так как владелец протеза вынужден при каждом шаге поддергивать бедро вверх, чтобы не цепляться носком протеза за дорогу. Ручные протезы с электроприводом при ходьбе приходится как-то фиксировать, и этот балласт нарушает осанку и равновесие при ходьбе. Примерно у 70% инвалидов, пользующихся протезами, развиваются осложнения в позвоночнике и суставах. Новые алгоритмы По мнению специалистов, подобные побочные действия приводят к тому, что тучные или страдающие хроническими болями пациенты становятся еще менее подвижными, а это подрывает их здоровье и укорачивает жизнь. Решение проблемы нашли в специальных алгоритмах. При использовании протеза Symbionic Leg компании Оssur пациент уже не должен поддергивать бедро. Все необходимые движения выполняет за него роботизированный протез. При каждом шаге носок приподнимается вверх, выполняя движение, которое принято называть «тыльным сгибанием». Мгновенная реакция Другие алгоритмы оказываются посложнее - с их помощью робот анализирует поток поступающих извне данных, а они постоянно меняются в зависимости от характера местности, по которой приходится шагать. Если нога при движении вниз упирается в приподнятую поверхность, когда колено еще до конца не разогнулось, робот делает вывод, что перед ним ступенька лестницы, и соответственным образом подстраивает свои движения. Если при контакте с землей носок задирается, а пятка несколько проваливается, искусственный интеллект делает вывод, что под ногами склон, и он меняет углы и усилия так, чтобы оптимальным образом преодолеть это препятствие. | ||
|
Человек будущего - это машина: 2012
Экзоскелет компании EKSO Bionics В феврале из стен лаборатории, принадлежащей компании Ekso Bionics, вышел первый работоспособный экзоскелет. Роботизированная система нижних конечностей, снабженная электроприводами, может выдерживать вес пациентов с травмами спинного мозга или поражениями нервной системы. Автономные батареи обеспечивают три часа энергичной ходьбы. Symbionic Leg Прошлой осенью компания Еssur предоставила в распоряжение нескольких избранных клиентов свой первый интегрированный бионический протез ноги. В этом году продажи протеза начнутся по всему миру. В протезе Symbionic Leg производится самонастройка всех параметров - от упругости колена до величины угла между лодыжкой и стопой. | |||||
|
2013-2015
После успешных испытаний на людях беспроводной интерфейс «мозг-компьютер» (BCI) будет вытеснять системы с передачей сигналов по проводам. Это особенно эффективно в системах управления протезами. Продолжается доводка нового поколения этого беспроводного устройства. Бионическая конечность считывает сигналы нервной системы посредством кожи. Однако настоящий прорыв наступит лишь тогда, когда эта методика позволит наладить обратную сенсорную связь с мозгом. Самая сложная часть работы - написание алгоритмов. Так считает Юсик Юн из Университета штата Мичиган: «До сих пор никто не знает, что именно мы должны "сказать" мозгу. Но это только пока». Ручной протез Gen 3 Протез Gen 3 компании DEKA имеет десять степеней свободы и шесть задаваемых на выбор алгоритмов захвата. Эта компания (ее руководитель - Дин Кэймен) планирует запустить в производство руку, которая будет связана через радио-канал с пультом на ноге. Новая модель сможет также воспринимать команды от электродов, вживленных в нервы или в мозг. | |||||
|
2015-2020
Разработки в области интерфейсов связи с мозгом позволят наладить эффективную обратную связь от внешних датчиков. В результате протезы верхних конечностей станут более управляемыми. 2016: Модульный протез конечности (MPL) В этом протезе имеется 26 независимых управляемых сочленений. Разработана система в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. В первой выпущенной в продажу версии управление будет, скорее всего, реализовано через электроды, закрепленные на коже или под кожей. Сейчас проводятся клинические испытания вариантов ручных протезов, которые управляются мозговыми имплантатами или датчиками, подключенными непосредственно к нервам. 2017: Искусственные белые кровяные тельца Крошечные пластиковые «умные частицы» (лейко-полимерсомы) воспроизводят поведение белых кровяных телец: отыскивают зараженные клетки и сцепляются с ними. Их можно запрограммировать так, чтобы они выискивали клетки конкретного типа и,например, доставляли куда следует антираковые препараты. 2022: Напечатанные кости В Университете штата Вашингтон разработан керамический порошок, который можно использовать для создания искусственных опор, способствующих наращиванию новых костей. Это можно делать с помощью модифицированного струйного принтера, воспроизводящего CAD-модели. Когда вокруг опоры вырастает натуральная кость, опора растворяется. Но создавать настоящие несущие кости типа бедренных возможно будет лишь лет через десять. «Матери-природе надо отдать должное, - говорит химик Сусмита Боус. - Подражать ей очень и очень трудно». Искусственная почка Искусственная почка, созданная в Университете Сан-Франциско, имплантируемый агрегат размером с бейсбольный мяч, самостоятельно выполняет все функции этого органа. Пакет кремниевых экранов с высверленными в них отверстиями наномасштаба отфильтровывает из крови токсины. При этом в искусственном органе нет никаких насосов, ион не потребляет энергию извне. Биореактор, заполненный специально препарированными почечными клетками, выполняет другие важные функции почки - например, поддерживает электролитическое равновесие. Биоинженер Шуво Рой надеется, что этот искусственный орган появится на рынке через 10 лет. Бионический объектив В Университете штата Вашингтон работают над созданием надевающегося на глаз дисплея, который будет питаться энергией, передаваемой беспроводным способом. До коммерческой готовности его можно довести за 10 лет. В объектив будут вмонтированы микрооптические элементы, которые повысят остроту зрения, обеспечат ночное видение и позволят проецировать данные прямо в поле зрения. Кроме того, дисплей до некоторой степени восстановит утраченное зрение. «В случае макулярной дистрофии поступающее в глаз изображение можно будет перемещать на участки сетчатки, еще не утратившие чувствительности», - считает руководитель проекта Бабак Парвиц. На рынке появятся экзоскелеты, наделяющие людей исключительной силой или скоростью бега. Будут созданы и экзоскелеты для инвалидов, управляемые от BCI с беспроводной связью. 2027: Печень, выращенная в лаборатории В институте регенеративной медицины в Уэйк-Форест группа Энтони Аталы уже научилась имплантировать мочевые пузыри, выращенные в лаборатории. На очереди и более сложные органы - к примеру, печень, выращенная из клеток самого пациента на специальной оправке. До разработки такого имплантата придется ждать еще примерно 15 лет. Протезы станут, наконец, не нужны. Это направление будет вытеснено новыми принципами реконструктивного восстановления пораженных органов. 2032: Искусственные красные кровяные тельца Роботизированные искусственные кровяные тельца («респироциты») состоят примерно из 18 млрд атомов (в основном углерода). Их молекулярная структура аналогична структуре алмаза и собирается атом за атомом. Эти роботы способны переносить в сотни раз больше кислорода, чем их натуральные аналоги. В результате они позволят человеку задерживать дыхание на несколько часов или десятки минут подряд бегать на олимпийских скоростях. Роберт Фрейтас из Института молекулярного синтеза полагает, что уже через 20 лет такие «нанофабрики» будут успешно функционировать. | |||||||||||||||||||
