Страница 14 из 25
Пара длинных тонких металлических стержней идет по обеим сторонам каждой ноги, соединяясь под сводом стопы, а затем поднимаясь назад и вверх, в воздух позади икры, образуя острую диагональ. Эти опоры помогают мотору, расположенному с другой стороны лодыжки, распределять энергию и усиливать действие камбаловидной мышцы – набора длинных и мощных волокон, который проходит от обратной стороны колена до пятки, присоединяется к ахиллесову сухожилию и играет ключевую роль в обеспечении нас энергией, когда мы стоим или идем.
По словам Герра, главной механической инновацией для этого устройства стал метод «естественной» подпитки тела энергией мотора – без нарушения целостности кожи и без лишнего давления на ногу. Герр придумал изящное решение проблемы, которое при этом все-таки отличается от природного: шаги человека подпитываются дополнительной механической энергией с помощью перпендикулярного ноге приспособления (торчащего из моторчика размером с сигаретную пачку), которое давит на верхнюю часть лодыжки. Это уменьшает натирание и риск сдирания кожи.
Дополнительная механическая энергия прикладывается в виде «крутящего момента» – той силы, которая помогает отводить переднюю часть лодыжки назад. В результате шире открывается лодыжечный сустав, соединяющий нижнюю часть ноги со ступней по принципу дверной петли. Это движение, в свою очередь, натягивает сухожилия, которые поднимают пятку, прижимая носок к земле и накапливая потенциальную энергию. Когда пользователь отрывает ногу от земли, эта энергия высвобождается, толкая носителя протеза вперед: по сути, такой носитель при этом играет роль камня, выпущенного из рогатки.
Экзоскелет, придуманный Герром, задействует остроумный механизм обратной связи, позаимствованный непосредственно у природы (его же изобретатель применяет в своей ноге-протезе). Механизм позволяет экзоскелетному мотору в реальном времени подстраиваться под изменения характера поверхности, а также скорости движения.
Разрабатывая математическую модель для лодыжечно-ступневого протеза, который сейчас питает энергией его собственные пешие передвижения, Герр натолкнулся на целый ряд так называемых «непредсказуемых, неочевидных, внезапно возникающих свойств»: в данном случае речь идет об оказавшихся для него неожиданностью вполне осмысленных методах выполнения каких-то действий. Один из наиболее полезных методов был связан с тем, как человеческий организм закачивает дополнительную энергию в нижние конечности, когда мы идем по неровной поверхности.
На пересечении ахиллесова сухожилия и камбаловидной мышцы, как и в других местах стыка мышц и сухожилий, располагается структура под названием «нервно-сухожильное веретено» («сухожильный орган Гольджи»). Орган Гольджи – своего рода биологический сенсор, который реагирует на прилагаемую к нему силу, посылая сигнал в головной мозг по позвоночнику (т. е. по спинному мозгу). Головной мозг откликается на этот сигнал, давая мышце приказ сокращаться еще больше, тем самым увеличивая жесткость и мощь ноги. Включив эту структуру в свою математическую модель искусственной ноги, Герр обнаружил, что она играет ключевую роль в процессах ходьбы.
«Это очень, очень простая штука, и мы включили ее в состав лодыжечного протеза, и получился великолепный пример неочевидного поведения», – говорит Герр.
По мере того как ампутант (или любой другой носитель такого экзоскелета) увеличивает скорость ходьбы (переключаясь из режима «медленная ходьба» в режим «быстрая ходьба»), давление на орган Гольджи возрастает, и модель приказывает мотору дать лодыжке больше энергии.
«Это происходит автоматически, без непосредственного измерения скорости ходьбы, – отмечает Герр. – А когда угол наклона поверхности увеличивается и человек начинает идти в гору, мотор дает еще больше энергии. Когда же человек идет вниз по склону, эта энергия, наоборот, отбирается – автоматически, хотя прибор не чувствует, что характер поверхности изменился. Этот очень простой мышечный рефлекс обладает таким вот неочевидным поведением, которое позволяет очень многое сделать».
«Я бы даже сказал, – добавляет Герр, – что если взять какого-нибудь инженерного гения и заставить его пройти все существующие курсы по теории инженерного контроля, он все равно, вероятно, не придумал бы эти простые рефлексы».
Всё это может казаться немного прямолинейным подходом, а ведь природные решения обычно отличаются изяществом. Но результаты этой работы, скорее всего, коренным образом преобразуют сферу протезирования. Герр заявляет, что с помощью своего прибора он создал сапоги, позволяющие тратить при ходьбе на 20 % энергии меньше.
«История знает лишь один действующий экзоскелет, – утверждает Герр. – И его придумали мы».
В принципе такой же экономии энергии можно добиться (несколько модифицировав прибор), даже если носитель устройства будет тащить на спине тяжелый рюкзак или очень быстро бежать. Герр отмечает: когда человек несет груз, основные биомеханические изменения вынуждены претерпевать колени и лодыжки – используя мышечную энергию для противодействия силе, с которой груз давит вниз, и уравновешивая крутящий момент.
«Можно окружить колени и лодыжки экзоскелетом, который, когда вы несете груз, будет делать то же самое, что делает наше тело, несущее груз, – отмечает Герр. – Но человек, на которого надеты эти штуки, будет при этом идти так, словно он не отягощен никаким грузом».
Покидая лабораторию Герра, я чувствую, что мне трудновато отделить терапевтический потенциал таких устройств от потенциальных дополнительных возможностей, которые они сулят здоровым людям. На этой ранней стадии моего путешествия мне просто являются интригующие образы вполне реальных костюмов Железного человека и мысль о том, что когда-нибудь, может быть, у меня будет приспособление, которое позволит мне с легкостью поднимать автомобиль. В ходе подготовки книги такие ощущения будут возникать у меня постоянно. Снова и снова я буду встречаться с примерами технологий, которые и восстанавливают утраченные функции организма, и позволяют различным образом дополнять возможности обычных людей.
Разумеется, больше всего в этом смысле вдохновляет терапевтический аспект. Во время одного из своих визитов я спросил у Герра насчет того сновидения, которое мучило его вскоре после того, как он лишился ног: там, где он бежит по полям возле своего дома и его волосы развевает ветер. Ему до сих пор это снится? Оказывается, нет. Хью Герр больше не видит этот сон. По его словам, он уже много лет почти каждый день наяву пробегает 1,7-мильный маршрут вокруг конкордского пруда Уолден – на специальных протезах.
«Я только вчера в очередной раз это проделал, – говорит он. – Отличная пробежка».
Глава 2
Рождение Бам-Бама
Расшифровка и редактирование генома
Хью Герр получил возможность создавать жизнеспособные бионические протезы и экзоскелеты благодаря новым технологиям, которые позволяют ему и другим изучающим биомеханику точно записывать, каким образом движутся и взаимодействуют различные части тела, а затем конструировать сложные наборы робототехнических деталей, находящихся за пределами тела и способных в реальном времени воспроизводить действия нормальных его частей. Для этого требуется почти мгновенно и очень эффективно улавливать и обрабатывать огромные массивы информации – и для того, чтобы запечатлеть и охарактеризовать поведение здоровой ноги, и для того, чтобы построить машину, которая сумеет имитировать это поведение.
Но все эти достижения – лишь самый краешек открывающихся перед нами возможностей. Как мы увидим в дальнейших главах, та же технологическая точность, которая позволяет робототехникам строить приспособления, прикрепляемые к внешней поверхности нашего тела, то же математическое волшебство и программы для распознавания закономерностей, которые Герр использует для того, чтобы питать энергией свои творения, – все эти технологии можно направить и внутрь, чтобы записывать, характеризовать и понимать, каким образом различные компоненты нашего организма взаимодействуют на клеточном уровне. Исследователи, работающие в этой сфере, тоже открывают и высвобождают тайные целительные силы и непочатые запасы возможностей, – всё то, о чем могли только мечтать ученые предыдущих поколений.