Когда скептики вслух сомневаются в возможности создания искусственного тела человека в считанные десятилетия, это говорит лишь о том, что они плохо знакомы с новейшими достижениями науки и техники в этой области. Ежемесячно, ежедневно проходят мимо них новости о внедряемых технологиях, ранее казавшихся фантастичными, научных разработках, которые когда-то были мечтой, а сегодня уже работают на благо человека.
О вреде скептицизма и пользе воображения
Когда скептики уверяют, что развитие технологий — вопрос второстепенный, они, скорее всего, никогда не нуждались в помощи специальных устройств, разработанных для повышения качества жизни людей с ограниченным возможностями. Существуют десятки примеров социально значимых научных открытий и изобретений, которые помогают категориям граждан, так или иначе нуждающимся в помощи механизмов, искусственных органов и систем для того, чтобы жить полноценной жизнью, общаться, работать и даже быть на равных с молодыми и сильными.
Наконец, когда скептики сомневаются в необходимости разработок кибернетических организмов, робототехники и искусственного тела, это говорит об узости их взглядов на жизнь и отсутствии воображения. Уже сегодня каждого из нас окружают приспособления, предназначенные для того, чтобы помогать нам выполнять важные повседневные действия и тратить на это в несколько раз меньше сил и здоровья. Давайте мыслить шире — подумайте о людях тех профессий, для которых ежедневный риск — это норма жизни, например, о сотрудниках МЧС и пожарной службы. А с развитием технологий, с изобретением искусственного тела человек сможет выходить в открытый космос, не подвергая опасности хрупкий организм, летать на далекие планеты, погружаться на дно Марианской впадины, вести репортажи из недр Земли…
Перспективы огромные, заманчивые и отнюдь не фантастичные. Наш обзор уже существующих прототипов, устройств, искусственных систем — тому яркое подтверждение.
О том, как спортсмен на протезах от здоровых убежал
По оценкам ООН, каждый десятый житель планеты имеет инвалидность — это более 650 млн человек. Жизнь этих людей полна страданий и унижений, особенно в нашей стране. Но проблемы многих из них решаемы уже сейчас, жизнь других изменится с помощью технологий ближайшего будущего.
Вспомним спортсмена Оскара Писториуса, чемпиона мира среди инвалидов 2006 года в беге на 100, 200, 400 метров. Его карбоновые протезы ног оказались настолько эффективными, что, по предположению Международной ассоциации легкоатлетических федераций, именно они стали причиной феноменальных успехов бегуна в спорте. Ассоциация запретила спортсмену соревноваться на том основании, что его протезы являются “техническим устройством, которое может дать преимущество в состязании”. Оскар Писториус в суде доказывал свое право соревноваться и выиграл дело. Оскар, конечно, выдающийся спортсмен. Однако тенденция очевидна — уже сейчас есть протезы, которые не просто дублируют функции конечностей, но и работают по меньшей мере так же хорошо, как естественное человеческое тело.
Американская компания Berkeley Bionics прославилась разработками в военно-промышленном комплексе. Но по-настоящему знаменита она своими е-ногами. Этот экзоскелет для инвалидов-колясочников (eLegs) вошел в 50 лучших изобретений 2010 года, по мнению журнала Time.
Неоднократно отличилась в области устройств-помощников компания Honda. Миниатюрный портативный экзоскелет Walking Assist Device создан помогать передвигаться пожилым людям со слабым опорно-двигательным аппаратом. Весит устройство всего 2.8 кг, батареи хватает на 2 часа непрерывной ходьбы со скоростью 4,5 км в час. Более совершенный и сложный силовой экзоскелет от Honda носит то же название, только с припиской With Bodyweight Support System. Но в народе за ним прочно закрепилось название “киберноги”. Пользоваться киберногами удобно — достаточно надеть ботинки, вся остальная конструкция в пристегивании и привязывании не нуждается. Управление устройством интуитивное. А пользоваться им могут и пожилые люди, которые с трудом передвигаются, и рабочие на конвейере, вынужденные работать на корточках или в полуприсяде. Помогут киберноги и больным в реабилитационных центрах во время восстановления после операции.
О том, как ученые руку приручили
Сложнее дело обстоит с протезами рук. Поскольку руками человек осуществляет много тонких манипуляций, повторить все из них пока не удалось ни одному устройству. Зато есть другие успехи. Шотландская компания Touch Bionics разработала робототехнический протез кисти руки под названием i-LIMB. Все пальцы протеза работают по отдельности, благодаря чему человек может брать “рукой” даже хрупкие предметы. Пользователь управляет устройством собственными мышцами и мозгом, может соотносить силу воздействия протеза на предмет, а внешне она почти не отличима от настоящей. Разработка Touch Bionics находится в открытой продаже, и, несмотря на высокую цену (30 тысяч евро), ее обладателями стали уже несколько сотен человек.
Ученые из лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса к созданию бионической руки подошли с другой стороны. По заказу исследовательского агентства Пентагона DARPA они разработали полностью интегрированный протез руки Proto 1. Протез напрямую соединен с нервной системой человека путем хирургического перемещения нервов в месте прикрепления протеза. Возможности такого протеза приближены к возможностям человеческой руки.
Механическая рука, управляемая мышцами, нервами и мозгом человека — это ли не начало киборгизации человечества? И вряд ли кто-то сможет сомневаться в необходимости таких разработок: быть здоровым — это не данность, а везение, которого можно лишиться в любой момент.
О том, как дачу построить за неделю
“Протезирование конечностей — эка невидаль!” — скажете вы. И будете отчасти правы. Гораздо сложнее помочь тем, кто частично или полностью обездвижен. Ежегодно в России появляется 7,5 тысяч новых больных с травмами спинного мозга. Помочь полностью или частично парализованным людям вновь почувствовать радость движения призваны различные разработки экзоскелета. Так, например, новозеландская фирма Rex Bionics разработала экзоскелет, управляемый джойстиком, для тех, кто парализован ниже пояса. Владелец такого устройства может ходить самостоятельно, даже если до этого был не в состоянии стоять на ногах. Экзоскелет Rex Bionics не прототип, он уже появился в продаже.
Однако настоящим прорывом стала разработка от Джекоба Розена из Калифорнийского университета Санта-Круз (UCSC). Exoskeleton Prototype 3 (EXO-UL3) может двигаться в разных плоскостях и имитировать до 95% движений человека. Но главное — управление экзоскелетом осуществляется нейронными сигналами мозга человека. В устройстве используются неинвазивные датчики, фиксирующие нейросигналы, отдающие команду мышцам.
Согласитесь, результаты впечатляющие. И логично предположить, что следующий этап развития этих механизмов — это появление устройств, дающих человеку способности, превосходящие возможности человеческого тела. О чем мы знаем уже сегодня? Вот, например, экзоскелеты ExoHiker и ExoClimber, созданные американской компанией Berkeley Bionics по заказу DARPA. С их помощью американский солдат может переносить значительные тяжести в пеших продолжительных походах, взбираться на крутые склоны, затрачивая меньше сил. А в позапрошлом году эта же компания по заказу американского военно-промышленного гиганта Lockheed Martin разработала и представила миру антропоморфный экзоскелет HULC (Human Universal Load Carrier) с гидравлическим приводом. Гибкая конструкция позволяет человеку ползать, приседать, бегать с грузом, превышающим 90 кг. Экзоскелет работает без джойстика, бортовой компьютер регистрирует мышечные сокращения, то есть, как выражаются сами создатели, “чувствует” желания и намерения человека и реализовывает их.
Не забыли ученые и о простых тружениках и пенсионерах. Так, в Токийском университете сельского хозяйства и технологии разработан механизированный костюм для пожилых фермеров Power Assist Suit. Костюм выдерживает большие нагрузки. Представьте, что ваш престарелый отец сможет за пару часов собрать после зимы теплицу, а мама перенесет в погреб все банки с зимними заготовками. И все это благодаря собственному, а может быть, взятому в аренду на пару дней силовому экзоскелету.
С таким темпом развития технологий в области киборгизации и роботостроения мы сможем рассчитывать на помощь экзоскелета в быту не позднее следующего десятилетия. И будет нам с вами огород круглый год.
О том, как импланты мозг спасают и психику берегут
Мозг — наиболее сложная система в человеческом организме. Досконально изучить его ресурсы и возможности пока не удалось. Но тайн становится все меньше, а ответов — больше. И доказательством этому может служить тот факт, что исследователи с каждым годом находят новые, более совершенные методы диагностики и лечения таких сложных заболеваний, как, например, болезнь Паркинсона, найдены способы общаться с полностью обездвиженными инвалидами, а “достучаться” получается даже до больных, находящихся в вегетативном состоянии.
Согласно доступным исследованиям о распространенности болезни Паркинсона, во всем мире насчитывается более 6 миллионов людей, страдающих этим заболеванием. Эксперты, правда, сомневаются в точности цифры, ведь в слабо развитых странах такие больные зачастую не становятся на учет. Но тем не менее даже 6 млн — это очень много. Бороться с болезнью Паркинсона помогают импланты головного мозга. Лечебный эффект достигается за счет стимуляции нейронов электрическими импульсами, благодаря чему утратившие свои функции нейроны начинают вновь работать. Другой способ — переориентация сигналов от здоровых нейронов таким же здоровым в обход тех, которые в силу болезни не функционируют. Метод работает. Но вот незадача, подобные импланты крайне недолговечны и быстро приходят в негодность. Решение нашли специалисты в области биомедицины и материаловедения из Университета Мичигана (University of Michigan). Они разработали нанопокрытие для имплантов головного мозга, которое существенно продлевает таким устройствам жизнь.
Надо сказать, введение электродов в мозг человека, — методика очень перспективная и в лечении других болезней. Импланты головного мозга могут быть эффективны при эпилепсии и глубокой депрессии. А прорывом в нейрохирургии можно считать исследования, направленные на облегчение состояния больного при сильных болях. Оксфордский профессор Типу Азиз уже испробовал методику на 40 пациентах, чья жизнь невыносима из-за хронической боли. 80% из них действительно отметили положительный результат, что совсем не мало. Точности методу пока не хватает, но исследования продолжаются.
Интересные исследования проводят специалисты из университета Эдинбурга. Они разработали микрочипы, которые способны выращивать нейроны на заданной поверхности по нужной схеме. Исследования в начале пути, но результаты уже многообещающие. Когда задуманное ученым удастся, старые, не функционирующие нейроны можно будет замещать собственными, выращенными в нужном количестве, с заданными нейронными связями. Тогда больной мозг станет здоровым, удастся побороть те недуги, которые сегодня являются смертным приговором.
О том, как силой мысли телевизор включить
Помимо инвазивного лечения обездвиженных больных, существуют перспективные методы взаимодействия с такими людьми посредством технологии нейроинтерфесов. Например, ученые американской компании Neural Signals создали микрочип — синтезатор речи — и внедрили его в головной мозг 26-летнему мужчине, полностью парализованному после аварии. Благодаря операции мужчина впервые спустя 10 лет после аварии смог издавать простые звуки.
Однако с помощью новых технологий возможно не только общение, т.е. обмен содержательной информацией с инвалидами, но сами больные в состоянии управлять объектами вокруг себя с помощью мысли.
Итальянские ученые из исследовательского госпиталя Фонда Санта-Лючия в Риме создали экспериментальную модель устройства, которое дает возможность инвалидам силой мысли осуществлять элементарные бытовые операции: открыть дверь, включить свет, взять трубку телефона. Устройство выглядит как робототехническая рука, связанная с пациентом неинвазивными датчиками, улавливающими электронные импульсы головного мозга. Сконцентрировавшись на нужном объекте в комнате, инвалид задействует компьютер, который “понимает” желание пациента и осуществляет операцию. На этом этапе исследований устройство выполняет 85% приказов.
Похожую систему разработали ученые Национального центра реабилитации нетрудоспособных людей Японии. Принцип тот же — датчики, прикрепленные к голове, приемник электромагнитных волн и компьютер, отсылающий сигналы напрямую бытовой технике. Для того чтобы компьютер правильно понял команды, больной должен “правильно” подумать: для каждого бытового прибора есть своя команда, например, включение телевизора — буква “А”. Надо сказать, что система пока довольно медлительна — от команды до ее выполнения проходит примерно 15 секунд. Но для парализованного человека даже элементарные манипуляции — это целый мир возможностей.
А для здоровых людей такие технологии интересны уже тем, что являются прототипами устройств, которые лягут в основу технологии создания аватара — искусственного тела, управляемого человеком на расстоянии с помощью нейроинтерфейсов. В первую очередь, аватар будет востребован там, где хрупкое человеческое тело не выдерживает перегрузки — исследования космоса, океана, полюсов планеты, а также в тех профессиях, представителям которых приходится часто рисковать жизнью. Мы уже говорили об этом — МЧС, пожарные, силовые структуры. А с развитием технологий, кто знает, возможно, вы сможете одновременно отдыхать с женой на Канарах, в то время как один ваш аватар участвует в совете директоров за тысячи километров от вас, а другой — проводит разъяснительную беседу с сыном-лоботрясом.
О том, что проследит за давлением и возьмет анализ крови
За последние столетия человечество научилось распознавать и лечить сотни болезней. Те возможности, что есть сегодня у современного человека, даже не снились нашим прадедам, а наши деды могли об этом только мечтать. Новый этап развития медицины связан с инвазивными и неинвазивными устройствами, работа которых заключается в контролировании показателей жизнедеятельности конкретного человека. За индивидуальным мониторингом с помощью нано-гаджетов — будущее, уверены специалисты.
Несмотря на достижения прогресса — новые лекарства, методики, технологии — общество не становится существенно здоровее. Возможно, светлое будущее не наступает как раз потому, что мы с удивительной настойчивостью игнорируем технологии, направленные на предотвращение заболеваний. А ведь многие опасные и даже смертельные болезни на ранних стадиях можно полностью вылечить, и в большинстве случаев ранняя диагностика существенно продлевает жизнь больного.
Отслеживать состояние здоровья можно с помощью специальных устройств — внешних или инвазивных. Всевозможные высокотехнологичные гаджеты, нанокапсулы, импланты взаимодействуют с человеческим организмом и способны вовремя сигнализировать о назревающих проблемах и даже предпринять незамедлительные меры по их предотвращению.
Японская компания Matsushita Electric Industrial Co. (в нашей стране мы знаем ее бренд Panasonic) разработала целый ряд устройств, которыми можно оборудовать так называемый “умный дом” с целью мониторинга самочувствия его хозяев. Например, компания представила унитаз, который сам регулярно собирает утреннюю порцию мочи хозяина, делает анализ и отправляет результаты лечащему врачу по e-mail.
Британские ученые из университета Сассекса разработали сенсоры электрических потенциалов, которые могут записывать ЭКГ или ЭЭГ без прямого физического контакта, улавливать сигналы от мышц и нервных волокон. А умный чип от канадской компании Zarlink Semiconductor не просто отслеживает основные показатели состояния владельца — пульс, давление, уровень инсулина и пр., но и сумеет самостоятельно набрать 911 и вызвать помощь в критической ситуации. Чип может устанавливаться непосредственно в тело человека, но работает и на расстоянии двух метров от него.
А что вы скажете о портативном гаджете размером с мобильный телефон, который делает полный анализ крови за пару минут?! Именно такое устройство сконструировано в Американском национальном институте космических биомедицинских исследований. Вообще-то приборчик создан не для простых смертных — он будет анализировать состояние здоровья астронавтов в космосе. Но столь полезная новинка рано или поздно войдет в жизнь каждого, не сомневайтесь.
Российские ученые порадовали устройством для диагностики нарушения свертывания крови. Прибор “Тромбоимиджер” измеряет степень риска тромбоза в считанные минуты, в планах разработчиков серийное производство устройства начнется уже в 2012 году.
Хорошие новости для астматиков от компании Siemens. Ее инженеры разработали портативное устройство, которое предупреждает больного о приступе за сутки до его начала. Прибор измеряет уровень окиси азота в выдыхаемом человеком воздухе и оценивает таким образом степень воспаления бронхов. Астматик заранее будет знать о приступе и сможет его купировать на самой ранней стадии. Актуальность такого устройства сложно переоценить, ведь сегодня астмой страдают более 300 млн человек, ежегодно от этого заболевания умирают около 100 тысяч пациентов в мире.
А вот другое популярное заболевание, не столь опасное для жизни, но тем не менее неприятное — это храп. Бороться с ним ученые из Университета Джонса Хопкинса предлагают с помощью инвазивного устройства, которое посредством электрической стимуляции соответствующих мышц снижает давление воздуха в носоглотке больного, вызывая расширение дыхательных путей.
Подобных изобретений сегодня множество: фитнес-ассистент, который следит за дыханием спортсмена, умные весы, считающие граммы до идеальной формы и баланс жировой массы в организме (к слову, уже давно в продаже), портативное устройство для диагностики рака. Что ждать следующим этапом? Конечно, интеллектуальные инвазивные устройства, которые и давление измерят, и температуру, и лекарство внутривенно введут от любой напасти. Этакая скорая нанопомощь от наночастиц. И надо сказать, прототипы таких имплантов уже существуют.
Об искусственных органах, тканях и их трансплантации
Трансплантация искусственных органов и систем, мышц, костей и пр. — это тема отдельной большой статьи. Но обойти ее своим вниманием в этом обзоре было бы неправильно. В мире ежегодно выполняется 100 тысяч трансплантаций органов и более 200 тысяч – тканей и клеток человека. Из них до 26 тысяч приходится на трансплантации почек, 8-10 тысяч – печени, 2,7-4,5 тысячи – сердца, 1,5 тысячи – легких, 1 тысяча – поджелудочной железы. Лидером в трансплантации является США. Сравните цифры: американские врачи ежегодно осуществляют около 10 тысяч пересадок почек — в России ежегодно проводится лишь 500-800 таких операций. В США 4 тысячи операций по трансплантации печени (в России — 5-10 операций в год), 2 тысячи — сердца (в нашей стране показатели в сотни раз хуже — 4-5 трансплантаций в год при потребности в 1500).
Так что же ждет мир в будущем в области искусственных органов и тканей? А ситуация очень оптимистичная — достижения современной науки тому подтверждение. Канадские ученые создали полимер, обладающий свойствами мышечной ткани, в будущем он может служить имплантом для выращивания мышечных клеток человека. Уже созданы первые в мире искусственные сухожилия, искусственная кожа с потовыми железами, мимические мускулы. Мы неоднократно писали о биопринтерах, “печатающих” органы из живых клеток. В ноябре прошлого года омские хирурги провели первые операции по имплантации искусственного сердца пациентам с тяжелой сердечной недостаточностью. Уникальную разработку представили исследователи из калифорнийского университета — первая имплантируемая искусственная почка. В перспективе это устройство, состоящее из тысячи микрофильтров, сможет вылечить сотни тысяч больных, ожидающих своей очереди на гемодиализ. Живой микрочип, стимулирующий работу живого легкого — это уже не технология из фантастического фильма, а сегодняшняя реальность. Существуют разработки даже искусственной поджелудочной железы — хорошая новость для 100 млн больных сахарным диабетом.
И уж совсем из области фантастики кажутся нам возможности облегчения жизни слепым людям. Искусственная сетчатка, роговица, невизуальный интерфейс для вождения автомобилем, оптические импланты, вживляемые в глаз, и даже бионическое око — сегодня это уже реальность.
Вывод о том, как наука простому человеку помогает
В рамках одной статьи, увы, невозможно рассказать обо всех достижениях в области киборгизации, роботостроения, нейроинтерфейсов, разработки искусственных органов и систем. Кроме того, каждый день научный мир потрясают сообщения о новых, еще более невероятных успехах ученых. Мир меняется. И мы меняемся вместе с ним. Технологии, которые казались неосуществимыми еще пару десятков лет назад, сегодня входят в жизнь обычных людей. Полезные устройства, ранее имевшие внушительные размеры, теперь умещаются в кармане пиджака. Безногие получают возможность ходить, слепые — видеть. Это сегодняшняя реальность — фантастическая реальности, если хотите.
