Страница 25 из 41
Сам же Герр уверен, что в той области, которой он занимается, благодаря объединению достижений биомехатроники и инженерии тканей дело вскоре дойдет до изготовления протезов, соединяющих в себе искусственные материалы и человеческую ткань. «Я думаю, что в конечном итоге мы неизбежно придем к созданию гибридных устройств», — заявил Герр корреспонденту «Вокруг света».
В Шотландии группа исследователей из отделения ортопедической хирургии Эдинбургского университета еще в середине 90-х годов разработала систему Edinburgh Modular Arm System. Это электронная рука, которой один испытатель пользовался почти десять лет. Он мог поднимать и опускать руку, сгибать локоть, вращать ладонь и даже шевелить отдельными пальцами. Протез оснащен шаровыми шарнирами и миниатюрными электромоторами, прикрепленными к шинам («костям») из углеродного волокна, заменяющим плечо и предплечье. Управлять всей этой конструкцией можно с помощью мускулатуры плеча. Электроды, прикрепленные к мышцам, воспринимают электрические сигналы сжатия и передают их протезам. Испытания руки до сих пор не завершены, а тем временем она уже начала морально устаревать, ведь ясно, что протезы будущего должны напрямую контактировать с нервными окончаниями мышц, а не просто улавливать мышечные напряжения.
Что же дальше? На что будут похожи эти «гибриды», которые заменят нынешние неуклюжие протезы (не приходится сомневаться, что спустя полвека даже искусственные лодыжки Герра будут казаться довольно архаичным устройством), и не превратится ли человек в киборга? Несомненно, в какой-то степени превратится. Понятие «cyb(ernetic) org(anism)», сокращенное до звучного слова «киборг», придумал в 1960 году специалист по космической медицине (что не случайно) Манфред Клайнс. В принципе достаточно снабдить человека искусственным стимулятором сердца — вот вам, пожалуйста, и киборг, полюбуйтесь. Ведь нет никакой критичной разницы между одним вживленным искусственным органом и десятью, и тем, внутренние они будут или внешние.
Вехи цивилизации
История протезов сравнима с историей человеческой цивилизации. По свидетельствам археологов, еще в неолите люди стали изготавливать зубные протезы из подходящих по размеру обточенных камней, костей, кусочков дерева и прочих материалов. Впрочем, зубной протез — дело относительно несложное по сравнению с протезированием активных частей тела. Благодаря стараниям тех же археологов стало известно, что профессия ортопеда, то есть специалиста, занимающегося лечением опорно-двигательного аппарата человека, может быть, как это ни удивительно, одной из древнейших. Так, в 2002 году в Египте была представлена публике редкая находка — деревянный протез большого пальца ноги, изготовленный еще в правление фараона XVIII династии Аменхотепа II (середина XV века до н. э.). Сам протез был найден десятью годами ранее в одной из гробниц Долины Царей близ Луксора и все эти годы тщательно исследовался специалистами. Протез пальца выточен из дерева и включает в себя специальную кожаную муфту, с помощью которой он крепился к ноге. Специалисты считают, что устройство выполняло не только эстетическую функцию, но и помогало человеку удерживать равновесие при ходьбе. Иными словами, еще три с половиной тысячи лет назад человек, не собираясь мириться с потерей некоторых жизненно важных функций тела, пытался синтезировать их с помощью подручных материалов. Впрочем, археологи находили и более древние «активные» протезы. Так, в 2001 году исследователи, работавшие в Египетском музее Каира, идентифицировали в некоем экспонате, до этого десятилетиями пылившемся в запасниках и не вызывавшем ничьего интереса, остатки протеза правой руки. Достаточно сложное устройство было изготовлено, видимо, для какого-то высокопоставленного пациента примерно во времена основателя III династии фараона Джосера (2780—2760 годы до н. э.). По своей функциональности оно превосходит даже ряд современных образцов. Этот протез, крепившийся к телу с помощью системы кожаных ремней, вполне позволял владельцу производить рукой ряд основных движений. Часть ремней играла роль сухожилий, «передавая» на руку «команды». Скажем, сгибанием левой ноги в колене можно было вызвать сгибание руки в локтевом суставе, а поворот тела вправо и влево вызывал сгибание и разгибание кисти. Чем ближе к нашему времени, тем больше свидетельств о все более широком употреблении протезов. Геродот, например, упоминал о некоем Гегесистрате, который в VI веке до н.э. сделал себе деревянный ножной протез и служил в персидской армии; Плиний сообщает о полководце, который, потеряв руку во время второй Пунической войны (III век до н. э.), заменил ее железной рукой, способной удерживать щит. Правда, с тех пор никаких серьезных прорывов в искусстве ортопеда не случилось — протезы в основном оставались «пассивными», неподвижными. Прогресс начался лишь в Новое время. В 1552 году известный врач и ученый Амбруаз Паре изготовил подвижный протез ноги с коленным шарниром и замком. Примерно тогда же неизвестный мастер сделал железный протез руки для рыцаря Геца фон Герлихингена (Германия), в котором четыре пальца (кроме большого) были подвижны и позволяли прекрасно управляться с предметами и осуществлять различные действия. Если для XVI века это был единичный шедевр, то уже в начале XIX века в Британии и Голландии регистрируются патенты на ножные протезы со сгибающимися коленными и голеностопными шарнирами (Д. Поте), на ручные с «работающими» пальцами (ван Петерсен) и другие.
Любопытным исследованием занимается группа известного американского изобретателя Стивена Джейкобсена, основателя компании Sarcos (он же, кстати, до этого проектировал роботизированные протезы руки и, как ни странно, знаменитые «танцующие» фонтаны отеля «Белладжио» в Лас-Вегасе). Компания Sarcos стоит на пороге промышленного изготовления робокостюмов. Конечно, ее работа финансируется военными ведомствами: только представьте себе возможности суперсолдат, суперспасателей и их десятикратно усиленные мышцы! Однако ясно, что такими робокостюмами с удовольствием воспользуются и люди, лишенные возможности передвигаться самостоятельно. Для слаженной работы всего механизма требуется несколько сложных сенсоров в каждом суставе и под голеностопом. Сенсоры приводят в действие гидравлическую систему, исполняющую роль мышц. Надевшему такой костюм человеку надо лишь слегка напрягать мышцы, и при этом он сможет легко балансировать на одной ноге с центнером груза за спиной: вся нагрузка практически придется на «мышцы» и стальные ноги робота, надеваемого, как костюм.
В том же направлении движется и Йошиюки Санкаи, профессор Университета Цукуба (Япония). Он готовится к массовому производству разработанного им мускульного усилителя, чем-то напоминающего костюм от Sarcos. Устройство это предназначено для помощи людям с ослабленными болезнью или врожденными дефектами мышцами. Робокостюм обнаруживает напряжение тех или иных групп мышц, передавая соответствующие команды на «мускулы» экзоскелета. Механический каркас, с установленными в коленях и вокруг пояса двигателями, плавно перемещает ноги пользователя в соответствии с его желанием. Скорость этого «протеза», правда, невелика.
Вообще основным камнем преткновения в таких разработках остаются как раз «мышцы» и питание. Нынешние приводы громоздки, медленны и потребляют слишком много энергии. Поэтому отдельное перспективное направление, которое быстро сольется с биомехатроникой, — разработка искусственных мышц. Хорошие искусственные мышцы могли бы заменить половину существующих на планете электромоторов (а их сейчас — уже многие миллиарды). Инженеры уже разрабатывают устройства, работающие от искусственных мышц, в том числе наколенники, предотвращающие ушибы, небольшие насосы для дозировки лекарств, а также роботов, которые извиваются, как змеи, летают, как птицы, или прыгают, как кузнечики. Но ряд исследователей возлагают на этот материал и другие надежды: заменить ими… натуральные человеческие мышцы. В середине прошлого года на ежегодной научной конференции в Сан-Диего три университетские команды выставили на соревнования по армрестлингу между роботом и человеком недурные образцы искусственных мышц. Однако роботы все равно проиграли вчистую — к сожалению, даже лучшее из того, что пока может предложить инженерная мысль, не может сравниться с человеческой мышцей, которой любой биоинженер даст высочайшую оценку и перечислит длинный список достоинств. Первое и главное — это сила. «Средняя» мышца бедра может произвести усилие (3 кг силы на см2 своего сечения), достаточное, чтобы сломать сосновую парту. За силой следует мощность — отношение работы к промежутку времени, в течение которого она совершена. Как в автомобилях, высокая мощность приводит к большим скоростям, а у стандартной скелетной мышцы КПД куда выше, чем у стандартного автомобильного двигателя. Мышцы также действуют как тормоза, пружины и амортизаторы. Вот почему мы, в отличие от обычного робота, можем бегать, прыгать и мягко приземляться. Пока искусственным мышцам далеко до естественных, но они уже существуют. В конце концов, первый космический полет тоже длился совсем недолго. Но мышцы — это еще далеко не все.