Протезы рук. Краткий осмотр ситуации с ними на текущий момент

Протезы в искусстве фигурируют ну очень часто, и в большинстве своём они могут вводить в заблуждение о том, что уже вот прямо сейчас протезы куда лучше наших с вами биологических рук, однако, это лишь заблуждение. Однако, при хоть сколько то серьёзном ознакомлении можно столкнуться с фактом того, что текущие протезы далеки от настоящей замены рук, а по факту являются лишь инструментом. Они не служат настоящей заменой рукам, и в этой статье я расскажу что они всё-таки могут, какие протезы есть сейчас на рынке, и какие сложности возникают на поприще этих технологических разработок.

Есть несколько видов протезов, под разные типы ампутаций руки. Для начала, разберёмся с видами ампутации.

• Ампутации пальцев

• Кисти

• Предплечья

• Плеча

Под разные типы ампутаций, понятное дело, нужны разные протезы. Проще всего заменить потерю пальцев, а вот с ампутацией выше предплечья начинаются серьёзные проблемы, о которых я расскажу ниже. Стоит уточнить, что поводом для установки протеза могут быть и различные врождённые мутации, приводящие к деформации какой-либо части руки.

Теперь, стоит сказать какие типы протезов бывают, сейчас есть три основных типа:

• Тяговые ( механические )

• Биоэлектрические, основанные на работе миоэлектрических датчиков, являются самыми передовыми

• Косметические

Сразу покончим с косметическими, так как с ними всё проще всего. Вся их суть исходит из названия, они просто делают ампутацию менее заметной, и никакого более функционала они не несут. Да, вы можете что-то поддержать, или в этом роде, но на какой либо адекватный функционал ( в сравнении с прочими ) они не претендуют.

Следующей ступенью являются тяговые протезы, вот тут мы остановимся поподробнее. История тяговых протезов крайне длительная. Первыми наработками можно считать стальную руку немца Götz von Berlichingen ( как бы это не произносилось ). Она имела ограниченный функционал, но позволяла держать предметы, и даже, возможно, писать пером. Управление осуществлялось при помощи кнопки на тыльной части ладони.

Потом, с началом промышленной революции начало происходить много всякого, и протезы начали совершенствоваться, постепенно приходя к текущим наработкам.

Тяговые ( или механические ) протезы представляют собой каркас с множеством тросиков ( тяг ). Суть их работы проста. Специальные тросики фиксируются на определённые участки оставшейся конечности. При помощи услиия, тросики могут натягиваться, что приводит к сгибанию ( или какому-то ещё ) движению протеза. Эти протезы подходят при любом типе ампутаций, даже при полной утрате руки.

В связи с спецификой миоэлектрических датчиков, тяговые протезы куда лучше подходят при ампутации плеча, нежели биоэлектрические. Про эту специфику я расскажу ниже, сейчас же просто запомните этот факт. В данном случае, специальный ремень может крепиться на здоровое плечо другой руки, что и даёт возможность управления протезом.

Как видно на фотографии выше, протез состоит не только из каркаса, гильзы и кисти, но и ещё имеет трос. Он крепится на здоровое плечо, за счёт чего и выполняется управление протезом, а конкретнее сгиб и разгиб кисти. Управление в области локтя может осуществляться за счёт здоровой руки, либо вскидыванием протеза туловищем.

Кстати, механические протезы очень хорошо подходят детям, ведь постоянные нагрузки при управлении подготавливают к возможному переходу на миоэлектронику. Если подбить итоги, то основными преимуществами тяговых протезов являются:

• Отсутствие электроники, что снижает стоимость и увеличивает стойкость к повреждениям

• Возможность установки при ампутации плеча

• Куда меньшая масса протеза, в сравнении с биоэлектрическими

Однако, прогресс не остановился на этом. Дело в том, что тяговые протезы имеют лишь один строгий тип хвата, поэтому, можно сказать, что тяговые протезы предназначены для какой-то узкой функции, что не всегда полезно в быту. Тут на смену им выходят биоэлектричекие протезы

Принцип их работы, и само устройство протезов куда сложнее. Начнём с управления протезом. Вы надеваете специальную подкладку, потом надеваете саму гильзу с протезом. И вот, что дальше? Как оно работает? Чтобы ответить на этот вопрос нужно немного отойти в сторону биологии.

Работа биоэлектрических протезов основана на считывании электрического потенциала остаточных мышц. Если вы ничего не поняли, то это нормально, нужно иметь базовое представление о работе мышц в теле, что я вам сейчас и предоставлю. Всё начинается с мозга. Вы принимаете решение, что вам нужно пошевелить рукой. Импульс идёт из мозга в спинной мозг, где далее расходится попадает в нервы связанные с мышечным волокном. Происходит усиление сигнала, после чего по ответвлениям нерва, аксонам, если говорить строго, сигнал расходиться на определённые группы мышечного волокна. С одного нерва может быть задействовано несколько мышечных клеток. В здоровой руке, сигнал успешно доходит до, скажем, ладони и вы её сжимаете, но если рука ампутирована ниже локтя то сигнал уходит "в никуда", проще говоря рассеивается. Если мы установим специальные датчики, которые смогут зарегистрировать сигнал до того как он рассеется, то мы сможем как-то его использовать. Функцию считывания выполняют миоэлектрические датчики, сейчас их даже не нужно вживлять в руку, достаточно надеть протез поверх культи.

С биологическими основами покончено, перейдём к технике. После того, как сигнал был зарегистрирован, он попадает в процессор, где происходит его обработка. После этого, в действие приводятся сервоприводы, и протез делает какое-то движение. Что такое сервоприводы? Если вкратце, то это определённые двигательные установки небольших размеров. Они способны принимать сигнал, сравнивать его с данными заложенными в программу, и выполнять какое-либо движение, меняя, например, угол положения двигающейся части. В принципе, этого достаточно чтобы понимать что из себя представляют биоэлектрические протезы.

В чём же преимущество этих протезов над механическими? Дело в электронике. Благодаря тому, что мы можем программировать движение сервоприводов, мы можем задать множество разных типов хватов для протеза. Тяговые способы, скажем, лишь сжать и разжать руку, когда миоэлектрические протезы способны жестикулировать, вращать запьястье, и т.д и т.п. В среднем, многохватовые протезы имею диапазон хватов от 18 до 22. Казалось бы "Вау, неверотяно, почти как настоящая рука, почему бы всем их не использовать?" но, всё не так просто. Видите ли, эти хваты нужно переключать, вы не можете мысленно захотеть показать рокерскую козу и протез сделает это, нет, всё не так. Вся работа протеза завязана на двух датчиках на руке, или, при ампутации выше предплечья, на груди. Связи с мозгом и мысленными процессами они не имеют. Переключаться можно, например, при помощи дисплея или кнопки на протезе, с помощью приложения на телефоне, но если у вас нету двух рук, то переключение становится несколько сложнее, нужно делать какие-то сложные телодвижения, и представьте, что вам нужно сделать 15 движений, которые не факт что переключат на следующий режим с первого раза. Так-же, как и в случае с механическим протезом, нужно постоянно напрягать какую-то часть мышц для выполнения хвата, что при длительном использовании может утомлять. Понятное дело, вы не имеете возможности управлять каждым пальцем отдельно, вы способны делать лишь те движения, которые заложили программисты в код сервоприводов ( стоит оговориться, некоторые компании предлагают добавить свой кастомный хват ). Но, хоть это и единичный случай, умолчать я его не могу. Есть один прототип протеза который позволяет управлять каждым пальцем отдельно. Он работает на принципе ультразвукового сканирования мышц, однако это лишь единичный прототип.

И так, что это за сложности для людей с ампутацией выше предплечья? Думаю, некоторые уже поняли что считывать сигнал там просто не с чего. Рука полностью отсутствует, и банально негде расположить датчики, но даже тут хитрые инженеры нашли лазейку. Расскажу про два случая. Первый, это разработка компании Ottobock под названием DynamicArm. Его гильза одевается туда, где должно быть быть плечо, и там же считывает сигнал для управления. Но если при ампутации ниже локтя локоть, понятное дело, остаётся, что упрощает жизнь при необходимости повернуть руку, то при его отсутствии нужно искать обходные пути. Я сам не до конца понял как эта вундерфаля работает, на сайте производителя информация подана как-то невнятно, и без подробностей, но сумею предположить, что сгибание локтя - один из вариантов хвата, ну и так-же локоть автоматически распрямляется при нагрузке.

Второй случай - это разработки университета им.Джонса Хоппкинса. Они создали протезы для человека по имени Leslie Baugh. У него отсутствуют обе руки, причём ампутация выше предплечья, но, изобретательные учёные факультета прикладной физики нашли способ решения этой проблемы, они просто расположили датчики на груди. Сами протезы крайне подвижны, имеют широкий диапазон движений, но, ограничены в скорости и удобстве управления, так как достаточно сложно управлять руками при помощи груди.

Как видите, несмотря на всю технологичность текущих протезов, нам всё ещё есть куда расти. Сейчас люди без руки, или сразу с парной ампутацией могут реабилитироваться и повысить диапазон возможных действий за счёт протезов. Сложность в их ограниченности. Действия связанные с мелкой моторикой занимают куда больше времени, бионические протезы, не смотря на более широкий функционал, значительно более хрупкие и дорогие в сравнении с механическими, и потому плохо подходят для физических нагрузок, или работе в хоть сколько то экстремальными условиями ( да даже в грязи ). Сейчас, чем больше различных типов протезов есть у человека, тем больше возможных действий он может выполнять. К примеру, есть кисти для игры на барабанах, перетягиванию тяжестей и многое, многое другое.

Казалось бы, протезы с кистью должны быть самыми удобными, но многие пользуются крюками, поскольку они, при должной сноровке могут показаться кому-либо более удобными.

И вот, пора задаться вопросом: как улучшить уже имеющиеся результаты? Есть два основных пути развития: 1) Нейропротезирование. 2) Нейросети и увеличение количества миоэлектрических датчиков.

Нейропротезирование, ну и нейротехнологии в принципе являются крайне обширной темой сами по себе, потому тут особо углубляться в это не будем. Если вкратце, теоретически ничто не мешает нам задействовать наш собственный мозг и нервную систему для управления протезом. Мы можем подключить электронику к нервам, и управлять протезом "как своей собственной рукой", однако тут есть ряд проблем, которые пока находятся в процессе решения, к примеру реакция отторжения, огромное количество нервных окончаний которые необходимо соединить с электроникой.

Нейросети же способны облегчить переключение между разными хватами. Если их натренировать, то они смогут по особым признакам в движении остаточных мышц определять то, что именно хочет носитель. Больше не нужно будет долго и утомительно переключаться туда-сюда, нейросеть всё сделает за пользователя. Однако, и тут всё не так радостно, так как это ещё в разработке. Относительно недавно появились протезы с восемью датчиками, что при должной тренировке носителя облегчает переключение между разными типами хвата, делая его более автоматическим.
Что ещё плохого есть в протезах? Много чего. Отсутствие тактильных ощущений, проблема в ограниченности сервоприводов, хрупкость, низкие возможности к поднятию грузов, цена, питание. Давайте по порядку.

Тактильные ощущения невозможны без подключения к прямо воздействия на нервную систему. Тут и добавить нечего.

Ограниченность сервоприводов сильно ощущается при сравнении с мышцами. Наши мышцы прочные и быстрые в скорости своих действий, плюс точные. Сервоприводы же относительно медленные, шумные и порою хрупкие. Эту проблему можно решить технологией штучных мышц, однако, тут пока лишь прототипы да наработки, думаю ещё расскажу про это позже, тема интересная.

Хрупкость вытекает из большого количества электроники в протезе. Всё это требует нежного и аккуратного обращения, иначе может сломаться. Потому то и нет возможности таскать что-то тяжелее килограммов 5-6, плюс необходима защита от пыли, грязи и воды, с чем помогают силиконовые накладки, но они портят всю крутость внешнего вида, но всё-таки вы бы не хотели чтобы такая штука сломалась ввиду её цены.

Цена. Если вы вдруг потеряли руку, готовьтесь выложить минимум 20 тысяч долларов за установку и изготовление протеза. Порою цены куда выше, они могут доходить до 100 тысяч долларов за протез. Сейчас пытаются удешевить их благодаря 3D печати, но поскольку на рынке всего несколько игроков, и по причине низкого спроса и круговорота таких товаров цена вряд-ли упадёт в ближайшее время.

Питание. Сейчас биоэлектрические протезы питаются благодаря внешним источникам питания. Просто зарядил батарейку, вставил в руку, и пошёл радоваться жизни, но всего в течении суток активного использования. На данных этапах это ещё терпимо, можно заряжать всё во время сна, но в будущем, при достаточно развитых технологиях нейропротезов, всё будет очень плохо. Мы не умеем нормально хранить электроэнергию, потому это может вызвать серьёзные трудности.

Как видите, современные протезы далеки от тех крутых штук которые нам показывают в медиа. Вне сомнений, мы достигли много, ведь мы можем немного помочь утратившим возможность полноценного функционирования людям, однако, учёным и инженерам предстоит ещё очень много работы. Прогресс не стоит на месте, и вполне вероятно что даже в обозримом будущем технологии достигнут уровня, позволяющего полностью заменить утраченную конечность, но увы, пока это лишь наработки да концепты.