31 Мая 2018

Бионические имплантаты, или киборги современного мира

Опубликовал augonsedai

Идея соединения человеческого тела с искусственными конечностями и органами далеко не нова. Впервые покалеченную руку соединили с механизмом еще в 16 веке. Тогда рыцарь Готфрид Берлихенген заказал у оружейников металлический протез руки, с которым мог держать щит и оружие, захватывать предметы от кружки до писчего пера. Положение пальцев менялось нажатием кнопки на тыльной стороне ладони, что на тот момент было верхом технической мысли. А вот на что способны современные технологии и какие перспективы у бионики в обозримом будущем, мы рассмотрим в этой статье.

Что такое бионика

Сама по себе бионика занимается не только разработкой совершенных человеческих органов, а применением принципов строения живых организмов для разработки технологий и технических устройств. Например, «робот летучая мышь» от компании Festo или удивительные роботы от Boston Dynamics, тоже являются полноценными бионическими устройствами.

Человеческое тело стало примером для подражания в самом важном деле – помощи людям, потерявшим возможность жить здоровой жизнью. И даже в спасении человеческих жизней. Уже появились протезы органов, способные управляться напрямую нервной системой. Пока что они недостаточно совершенны и стоят дорого, но еще пару десятков лет назад подобные устройства можно было найти только в кино или на страницах фантастических книг. Людей с механическими органами принято называть киборгами, и они уже живут среди нас.

Рассмотрим подробнее, чего именно добилась современная наука и техника:

Сердце

Начнем с одного из важнейших органов, остановка работы которого приводит к летальному исходу. Впервые возможность поддерживать гемодинамику искусственным насосом показал ученый экспериментатор В. П. Демихов. В 1937 году он продемонстрировал научному сообществу собаку, которая два часа жила с механическим насосом вместо сердца. Первую пересадку искусственного сердца человеку произвел американский хирург Д. Кули в 1969 году. Тогда установка сердца была произведена пациенту, ожидавшему донора для пересадки.

До недавнего времени хирурги подключали больных к внешним аппаратам, качающим кровь с одновременным насыщением её кислородом. Также успешно менялись клапаны – в этом кардиохирурги достигли больших успехов. Первая успешная имплантация искусственного сердца произведена в 1982 году в США доктором Робертом Коффлером Джарвиком. Устройство называлось Jarvik-7 и позволило первому пациенту прожить 112 дней, а второму 620. 18 декабря 2013 года во французском госпитале им. Жоржа Помпиду произвели еще одну успешную пересадку механического сердца пациенту с сердечной недостаточностью в крайней стадии. Устройство создано компанией Carmat, имеет срок работы 5 лет и стоит $195 000. Следующий революционный шаг сделали ученые из Австралии, которые сумели пересадить овце бионическое сердце BiVACOR, использующее в работе принципы магнитной левитации, что уменьшает износ и продлевает срок службы механизма до 10 лет. На 2018 год запланированы операции с первыми добровольцами, которые испытают на себе инновационные сердца.

Самый сложный аспект в установке сердечных имплантатов – это психология отношения пациента к замене одного из важнейших органов. У большинства людей возникает кардиопротезный психопатологический синдром. После операции человек начинает слышать работу своего протеза и полностью фиксируется на этих ощущениях. Пропадает сон. Возникают страхи остановки, отторжения или отрыва имплантата. И приходится вести дополнительную психологическую терапию с каждым обладателем искусственных вставок в сердце.

Почки

Еще один орган, отказ которого приводит к печальным последствиям. Люди с почечной недостаточностью вынуждены регулярно посещать медучреждения для прохождения процедуры диализа. Человек практически становится зависим от фильтрующего аппарата, и теряет свободу перемещений. Первое мобильное устройство для диализа был создано в США. Этот аппарат весил 4 кг, его можно было носить с собой в сумке. Работал он 6-8 часов от одного набора батареек. Аппарат подключался к вене за несколько минут, и давал пациенту полную свободу перемещения. Но всё равно достаточно неудобно постоянно носить за собой тяжелую сумку, подключенную к кровеносной системе.

Ситуацию изменили ученые Уильям Вандербилт Фисселс и Шуво Рой из Калифорнийского Университета. Еще в 2010 году они презентовали бионическую почку, которую можно имплантировать в организм. По информации от ученых, устройство имеет в своем составе множество чипов и управляется ритмом сердца, а по габаритам сопоставима с человеческой почкой. Она способна очищать кровь с эффективностью настоящей почки и не отторгается организмом. В 2015 году ученые получили грант в 6 млн. долларов и успешно создали первые работающие прототипы. По информации от ученого-нефролога, бионическая почка появится в продаже в ближайшие пару лет.

Глаза

Потеря зрения - трагедия для любого человека. До недавнего времени больным приходилось смириться с ситуацией и адаптироваться к жизни в темноте. Современные разработки дали таким людям шанс снова увидеть мир.

Принцип работы бионических глаз следующий – в сетчатку вживляются миниатюрные электроды, соединенные со специальными очками. В очках установлена камера, которая принимает и обрабатывает изображение, передавая ее в сетчатку. Это позволяет оставшимся здоровым клеткам глаза посылать картинку в мозг. Полноценное изображение получить пока не получилось, но человек начинает различать крупные предметы и даже читать крупный шрифт.

Первую подобную систему разработал Уильям Добеле, и её испытали на Дженсе Ноймане в 2002 году в Лиссабонском Институте. Тогда технология была недостаточно совершенной, и искусственные глаза проработали всего две недели. Но сейчас на рынке имеются успешно работающие устройства: Argus II от Second Sight, PRIMA и Alpha IMS, которые подарили зрение многим людям.

Кисть

Человеческая рука – совершенный инструмент, благодаря которому мы стали доминирующим видом на планете. И потеря кисти делает человека беспомощным. Чаще всего это происходит от производственных травм, автомобильных аварий и во время боевых действий. Механический протез руки упомянут вначале статьи – изыскания в этом направлении протезирования ведутся еще со времен Средневековья. Долгое время изобретатели придумывали различные механические системы контроля искусственных пальцев. Положение кисти контролировалось либо второй рукой (как в искусственной руке рыцаря Готфрида Берлихенгена), либо с помощью движений культи внутри протеза.

Новые технологии изменили всё – теперь контроль производится путем считывания нервных импульсов от мышц или прямым подключением к нервной системе. Первым подобным устройством был протез обоих рук, созданный в госпитале при Университете Джона Хопкинса. Протез управлялся сигналами, которые он считывал с грудных мышц. Сейчас на рынке лидирует компания Bebionic от RSLSteeper, которая выпускает протезы способные менять 14 положений пальцев кисти и управляемые сигналами от мышц.

В 2013 году произошел прорыв - Cleveland Veterans Affairs Medical Center и Case Western Reserve University создали протез, напрямую подключаемый к нервным окончаниям человека. Первый доброволец, которому установили устройство, утверждает, что начал чувствовать ладонь, тыльную часть руки и пальцы. В 2015 году в рамках программы Revolutionizing Prosthetics протез подключили пациенту непосредственно к мозгу. Исследователи не останавливаются и постоянно совершенствуют технологии, так как пока имеется ряд проблем: высокая цена, недостаточная функциональность и необходимость регулярного ремонта.

Ноги

Создать бионический протез для ноги оказалось намного сложнее, чем для кисти руки. Дело в том, что нога берет на себя серьезную нагрузку и отвечает за удержание равновесия. Это требует куда более сложных движений и мощных сервоприводов. Самая продвинутая разработка на сегодняшний день создана в Реабилитационном Институте Чикаго. Предыдущие разработки в этой области работали на программном обеспечении и перед каждым сложным действием им необходимо задавать отдельные настройки. Чикагская разработка считывает нервные импульсы с мышц и выполняет необходимые действия. В оставшиеся 9 мышц ноги испытуемого вживили электроды, которые передают сигналы в устройство. После чего в работу вступают 13 механических приводов, работающих по заранее заданным паттернам в зависимости от ситуации. Пока что бионическая нога проходит тестирование. Если она выйдет на рынок, то будет стоить около $40 000.

Интересные факты о бионических устройствах

Некоторые разработки в области бионики совершались адресно под конкретного человека. Но от этого они не становятся менее интересными:

  • Парень из Британии, по имени Нил Харбиссон страдает ахроматопсией – он не видит цвета. Проблему решили оригинальным образом – в его голову вживили устройство на подобии антенны, слегка свисающей надо лбом. Гаджет улавливает цвета и преобразует их в звуковые сигналы. Теперь Нил различает даже те цвета, которые не видит человеческий глаз. Со временем он расширил функционал устройства и с его помощью может выходить в Интернет.
  • Барабанщик Джейсон Барнс потерял кисть руки вследствие несчастного случая. Впоследствии он сделал протез, который позволяет играть на барабанах сразу тремя палочками. Первые варианты протезов он собирал самостоятельно в гараже, но потом получил помощь от профессора Вайнберга из Технологического института Джорджии. Одна из двух палочек протез отбивает ритм благодаря программному обеспечению, второй. Теперь Джейсон признан самым быстрым барабанщиком современности.
  • Мы писали про дороговизну бионических протезов. Француз Николя Хуше сломал систему – потеряв руку, он не смог позволить себе дорогой гаджет. Но не впал в отчаяние и с помощью 3Д принтера отпечатал все необходимые детали и собрал собственную бионическую кисть. Стоимость устройства составила всего 1000 евро. Теперь Николя собирается помогать другим людям, которые не могут позволить себе дорогостоящие устройства.

Как видите, отрасль бионики активно развивается. И в перспективе не только протезирование, но и замена органов на более совершенные механизмы, о чем так мечтают трансгуманисты. Но это уже область футурологии и отдельного разговора.

Берегите себя и следите за новыми материалами на сайте.