В мире живут миллионы ампутантов: в США их более 1,5 млн человек, в Европе — более 5 млн. Причины, по которым эти люди потеряли конечность, самые разные — от производственной травмы или аварии до врожденных пороков и диабета. Задача общества — не закрывать глаза на проблемы этих людей, а постараться создать для них нормальные условия для жизни. 

Но для ампутантов без рук даже взять стакан воды — задача не из легких. Что уж говорить о сложных манипуляциях вроде завязывания шнурков или полноценном рабочем процессе? 

100 лет назад все было совсем плохо — крюки или декоративные руки с тросами ничем не помогали. Но с развитием технологий ситуация изменилась: на помощь людям с ограниченными возможностями пришли бионические протезы, управляемые «силой мысли». Пока они все еще неспособны заменить настоящую руку и имеют много ограничений, но с захватом предметов справляются неплохо. 

Давайте посмотрим на историю появления «Бостонской руки» — первого массового биопротеза в истории. Его изобретение не только помогло облегчить жизнь тысячам ампутантов, но и заложило базу для развития протезирования на десятилетия вперед. 

Протезы до «Бостонской руки»

Первые протезы мы всем помним из книг и фильмов про пиратов — простые крюки, позволяющие хоть как-то удовлетворять базовые потребности. Они изготавливались из дерева и крепились при помощи кожаных ремней. А для сгибания локтевого сустава использовался простейший шарнир. Разумеется, это работало, только если рука была ампутирована ниже локтя.

С XIX века среди более богатой части общества появляются первые тяговые протезы. В них уже есть пальцы-манипуляторы, которые управляются при помощи тросов — они натягиваются при движении оставшейся части руки и позволяют уже что-то захватывать. Кстати, тяговые протезы используются и сейчас: они намного дешевле и легче бионических, а также подходят для людей с ампутацией значительно выше локтя. 

В XX веке прогресс приводит к появлению более совершенных конструкций. Например, в 1919 году в журнале Ersatzglieder und Arbeitshilfen («Запасные конечности и рабочие приспособления») появляются удивительные чертежи механических рук, которые управляются при помощи сжатого воздуха и электрической тяги. Принцип действия был похож на описанный выше, за исключением замены тросиков на пневматические цилиндры и электромагнитные катушки.

После окончания Первой Мировой войны домой вернулось очень много людей без конечностей, и немецкая фирма Otto Bock (сейчас одна из самых известных в мире компаний по протезированию) не только создавала традиционные инвалидные коляски и костыли, но и активно производила протезы. По некоторым источникам, она экспериментировала и с пневматическими вариантами — для этого использовались пневматические баллоны, которые человек должен был носить на спине. 

Прорыв в деле протезирования наметился, когда в 1907 году немецкий ученый Ганс Пайпер поставил несколько опытов по изучению физиологии человеческих мышц. Основываясь на идеях Гальвани (знаменитый опыт с лягушкой) и работах Карла Маттеуччи, он не только подтвердил, что при сокращении мышц присутствует электрический ток, но и сумел его измерить. В 1912 году он издал книгу Elektrophysiologie menschlicher Muskeln («Электрофизиология мышц человека») и описал новое направление в науке — электромиографию. 

Вы можете ознакомиться с оригиналом этой замечательной работы, если владеете немецким языком.

Многие ученые активно подключились к исследованию темы — ведь потенциал был колоссальный. Давайте посмотрим упрощенно: в моторной коре возникают электрические импульсы, которые через спинной мозг передаются к нервным волокнам в определенных мышцах и приводят к их сокращению (деполяризация мышечной мембраны). Так наша рука сгибается или разгибается. 

Если знать точный путь распространения тока в синапсах, его можно измерить и использовать для управления каким-то исполнительным механизмом — скажем, серводвигателем. Тот будет двигать протез, да еще и с разным усилием, пропорциональным амплитуде нервного импульса. Тем более пути распространения сигнала в нервных волокнах врачам хорошо известны еще с конца XIX века, благодаря работам физиолога Вильгельма Эрба (Handbuch der Elektrotherapie, 1882 год). 

Например, чтобы человек мог сгибать локоть, по сути, требовалось бы только считать сигналы всего от двух мышц — бицепса и трицепса. Выглядит довольно просто. 

Однако на деле все оказалось намного сложнее: нервные импульсы в области верхних конечностей очень слабые. Они имеют амплитуду в диапазоне от 20 мкВ до 2 мВ (при максимальном сокращении мышцы) и частоту от 20 до 1000 Гц (в области пропорционального сигнала). Из-за этого перед изобретателями возникали проблемы:

• Сложно измерить столь малый сигнал, да еще и временами совпадающий с частотой сети 50 Гц. 

• Нужно учесть влияние синфазных сигналов соседних мышц и научиться отличать один сигнал от другого.

• При наложении электродов они должны все время попадать на одно и то же место руки — требуется высокая механическая точность изготовления гильзы протеза и подгонка под анатомические особенности ампутанта.

• Кожа может обладать высоким импедансом, что также влияет на измерение сигнала электродами.

• Вся система регулирования должна иметь минимальное время отклика, иначе невозможно будет захватывать хрупкие предметы — исполнительный механизм не будет успевать за изменением нервного импульса.

• Протез должен развивать достаточное усилие на сжатие, при этом иметь какой-то разумный вес — протез весом в 3-4 кг невозможно долго использовать.

• Питание должно быть автономным, иначе человек будет ограничен в передвижениях — ни о каком удобстве и речи идти не будет. 

Другими словами, нужна очень чувствительная электрическая схема с глубокой обратной связью, гибкими возможностями фильтрации сигналов по амплитуде и частоте, правильно подобранным расположением электродов, точной механикой и много чем еще.  

Инженеры продолжали искать способы, как решить все эти сложности и получить рабочий прототип протеза, управляемого силой мысли — даже сама идея казалась совершенно фантастической. Но исследования получили толчок сразу после окончания Второй Мировой войны — и на это было две причины:

1. Создавались более компактные и мощные усилительные схемы благодаря появлению и распространению транзисторов — как раз в конце 40-х годов XX века.

2. С войны вернулось много искалеченных солдат — нужно было помочь им интегрироваться в общество, чтобы как можно больше людей восстанавливали разрушенную экономику. Протезы с крюками или декоративные руки этому никак не способствовали (правда, про низкую доступность технологичного протеза из-за его огромной цены, особенно для ампутантов, тогда никто не думал). 
   

Первым человеком, который приблизился к созданию миоэлектрического протеза, стал Рейнхольд Райтер — инженер, работавший в Германии в 1948 году и помогавший Красному Кресту в Баварии после Второй Мировой войны. Однако на тот момент на исследование нужно было много денег, а обложенное репарациями государство не смогло их выделить. 

Пальму первенства перехватили советские ученые — для нашей страны тема людей с ограниченными возможностями после войны тоже была очень острой. По примерным прикидкам, в СССР было 400-500 тыс. человек, потерявших конечности. 

В 1957 году советский инженер Арон Кобринский (кстати, он же участвовал в разработке первого в СССР ЧПУ станка 1К62), а также ученые Яков Славуцкий и Виктор Гурфинкель сумели создать первый бионический протез. В нем уже были применены транзисторные схемы усиления сигнала, двигатель постоянного тока с приемлемым соотношением мощность/масса, а также была решена проблема автономности — батарея крепилась к поясу. 

Протез работал только на сжатие/разжатие, был шумным и тяжелым, но несмотря на все недостатки стал настоящим прорывом. В 1960 году прошли опытные испытания, и несколько протезов было выдано ампутантам на тестирование. Более того, в 1961 году лицензия на использование протезов была продана в Великобританию и Канаду — там они сразу получили звучное прозвище «Русская рука». 

Про историю изобретения рекомендуем прочитать в книге 1972 года «Вот они — роботы» Кобринского, а также «Физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами» другого создателя «Русской руки» — Якова Славуцкого. 

В 1963 году в югославском Институте электроники и телекоммуникаций «Михайло Пупин» инженер Райко Томович представил публике «Белградскую кисть» — миоэлектрический протез, в который якобы были встроены сенсоры тактильных ощущений. Верится в это с трудом, потому что только сейчас появляются подобные технологии, а уж 60 лет назад это кажется маловероятным. Всего было выпущено несколько «кистей», одна из которых хранится в музее Белграда. 

Изобретение «Бостоной руки»

Появление «Русской руки» показало всему миру, куда может двигаться протезирование и что фантастика уже наступила. Возможно, именно это подстегнуло хирурга-ортопеда Мелвина Глимчера в один из дней 1961 года завести разговор о биопротезировании с Норбертом Винером, отцом современной кибернетики. Тот как раз лежал в больнице с переломом шейки бедра — не самая приятная травма в возрасте 66 лет. 

Разговор был не случаен: Глимчер знал, что Винер еще в своем бессмертном трактате «Кибернетика» высказывал идеи об искусственных механических руках, управляемых сигналами нервной системы. Ортопед как раз работал в центре реабилитации ампутантов Liberty Mutual Insurance Co — крупной страховой компании. 

С одной стороны, Глимчер переживал за своих пациентов, которые страдали от того, что не могли стать полноценной частью общества. С другой стороны, сама страховая компания была заинтересована в том, чтобы люди могли поскорее вернуться к работе — это позволило бы компании снизить свои расходы на реабилитацию. Звезды сошлись идеально: Liberty Mutual выделила Глимчеру средства на создание протеза, а тут как раз под руку подвернулся гениальный ученый. 

Норберт Винер уже мало чем мог помочь сам (к тому времени он уже болел и умер через 3 года), но зато порекомендовал талантливых профессоров из MIT: Амара Бозе и Роберта Манна. Первый специализировался на электронике, второй — проектировал ракетные системы управления. 

«Не нужно разрабатывать ракеты, чтобы понимать, что даже в ампутированной руке все еще есть мышцы, которыми мозг по-прежнему управляет. <...> Я инженер и мыслю так, что организм человека — это машина. Кости — это звенья; суставы — опора; мышцы — приводы; связки и ткани — пружины. А если машина ломается, то ее можно починить, не правда ли?», — говорил Роберт Манн.

После этого к работе привлекли еще двух талантливых аспирантов:

• Ральфа Альтера, который принялся писать докторскую диссертацию по разработке миоэлектрического протеза, уделяя внимание обработке сигналов и программному обеспечению.

• Рональда Ротшильда, также находившегося в процессе написания докторской диссертации, но по теме аппаратной реализации. 

В 1961 году группа инженеров вместе с Глимчером даже посещала СССР, чтобы обменяться опытом и посмотреть на изготовление «Русской руки» воочию. Удивительно, что все это происходило в разгар Холодной войны, когда отношения США и СССР были, мягко говоря, не лучшими. Однако проблема адаптации ампутантов и развитие науки оказались выше любых политических разногласий.

Знакомство с изобретением Кобринского показало его ключевые недостатки: шум, большой вес, маленькое усилие на сжатие, большое время отклика и малый уровень заряда. Группа под руководством Бозе и Манна решила разработать свой бионический протез с нуля, не опираясь на исследования коллег по цеху. 

В 1965 Глимчер решил дать легкую рекламу амбициозному проекту и послал письмо в местную газету Boston Globe. В ответ вышла статья, в которой разработку группы MIT назвали «черной магией, чем-то дьявольским»: под окнами университета особо бдительные граждане Бостона устраивали небольшие пикеты с требованием «немедленно прекратить то, что я не понимаю». 

К счастью, мракобесие проиграло: Ротшильд и Альтер дописали свои диссертации в 1965 и 1966 годах соответственно, а к 1967 году получили прототип работающей руки. 

Первая версия «Бостонской руки», как и «Русская рука», не была компактной: в ней использовались массивные никель-кадмиевые батареи, и поначалу конструкция весила свыше 2 кг. Суть работы тоже была похожей: сигналы с электродов отфильтровывались и многократно усиливались схемотехникой, после чего подавались на двигатель — он перемещал «руку», пока сигнал не пропадал. Однако в работе «Бостонской руки» была масса нюансов.

Строго говоря, группа придумала не «Бостонскую руку», а скорее «Бостонский локоть» (прижилось почему-то именно первое название). Он предназначался для сгибания и разгибания локтевого сустава и подходил для ампутантов, у которых ампутация была проведена выше сгиба. То есть как бы не заменял, а дополнял детище Кобринского для людей с разными увечьями. 

К руке подключалось три электрода: к бицепсу, трицепсу и заземляющий. Изначально инженеры собирались использовать электроды в форме иглы — подозревая, что так можно будет уменьшить влияние шумов от прилежащих мышц. Однако это оказалось крайне непрактичным и болезненным для пациентов — остановились на поверхностных электродах. 

В результате многочисленных экспериментов им удалось подобрать параметры схемы и ФНЧ(фильтра нижних частот): с учетом амплитуды и частоты основного сигнала, времени отклика системы, характера помех и прочего. Постоянная времени фильтра лежала в пределах 200-300 мс и давала хорошие результаты.

В качестве привода использовался двигатель с постоянными магнитами, развивающий момент в 13 Н*м на напряжении 24 В и способный переместить локоть на угол от 10° до 135° менее чем за 0,75 секунды. Заодно работающий очень тихо. 

Для передачи вращающего момента и фиксирования руки в нужном положении использовалась система с обгонной муфтой. А для уменьшения рывков — система с двумя контурами обратной связи: 

• по показанию тензометрических датчиков, расположенных на сгибе и включенных в тензомост,

• по значению скорости, рассчитанному на основе показаний противо-ЭДС.

Моделирование работы всей системы проводили на компьютере PDP-1, установленном в лаборатории MIT. 

Конечно, еще было много нюансов — кому любопытно, приводим ссылки на полную документацию, где работа по созданию «Бостонской руки расписана подробно, со всеми схемами, расчетами и графиками:

• Ralf Alter, BIOELECTRIC CONTROL OF PROSTHESES, 01.12.1966

• Ronald Rothchild, DESIGN OF AN EXTERNALLY POWERED ARTIFICIAL ELBOW FOR ELECTROMYOGRAPHIC CONTROL, 21.05.1965

В 1968 году, после удачных испытаний, первая версия была представлена на конференции в Массачусетской больнице. Однако она, как и еще 18 последующих версий бионического протеза, была признана неудачной: им не хватало компактности (батарею приходилось носить в сумке на поясе, как и для «Русской руки») и времени заряда. Только к 1973 году удалось добиться нового дизайна, кардинально уменьшив размер батареи и расположив ее в отсеке под локтевым сгибом, при этом увеличив емкость. 

Новая версия «Бостонской руки» весила уже всего около 1,1 кг, поднимала до 23 кг веса и удерживала 22,7 кг в зафиксированном положении благодаря обгонной муфте. Зарядка занимала около 2 часов, а время автономной работы — до 8 часов, стандартный рабочий день. Срок службы составлял пять лет с учетом того, что протез нужно было передавать на платную диагностику раз в год. 

«Бостонскую руку» после модификации получили сотни человек: например, ветераны войны во Вьетнаме или пострадавшие от талидомида в Европе. Однако по-настоящему массовому распространению среди людей с ампутацией выше локтя (тут речь идет о десятках тысяч человек — прим. автора) помешала его стоимость. Она составляла $9500 — просто неподъемные деньги для рядового американца, которому из-за дефекта и так тяжело было найти работу. Для сравнения, стоимость тросового локтевого протеза в среднем составляла около $1500. 

Несмотря на все это, «Бостонская рука» стала первым массовым бионическим протезом — все последующие модели в той или иной степени опирались на исследования и наработки ученых из MIT. 

В 80-х годах в «Бостонскую руку», благодаря усилиям Невилла Хогана, добавился микроконтроллер — это дало возможность конфигурировать протез с компьютера и подстраивать под каждого пользователя:

«Бостонская рука» и другие бионические протезы сейчас

В 1983 году Стивен Якобсон, ученик одного из создателей «Бостонской руки» Роберта Манна, разработал значительно более совершенное устройство — «Руку Юты». Она позволяла уже добиться трех степеней свободы вместо одной. Кроме сгибания локтя, сюда добавилось вращение плеча и предплечье.

Добавление контроллера позволило «зашить» программу управления, которая позволяла бы в реальном времени рассчитывать усилие и угол поворота для каждого серводвигателя. Таким образом, «Рука Юты» была намного больше похожа по поведению на реальную человеческую руку и меньше весила. Однако она имела и существенные недостатки:

• грузоподъемность составляла всего около 1 кг против 23 кг у «Бостонской руки» — из-за того, что двигатели и сочленения должны были быть намного легче;

• время зарядки составляло 16 часов против 2 часов;

• стоимость — 20 000 $ против 9 500$.  

Оригинальная статья про «Руку Юты» с описанием математических формул, использующихся для расчета.

По этой причине «Бостонская рука» продолжала продаваться: ведь не все люди могут позволить себе самое лучшее. В каких-то случаях требовалась «золотая середина», когда человек не готов переплачивать за подобный функционал. 

Сейчас технологии продолжают развиваться — на Хабре про это регулярно выходят статьи:

• теперь люди даже без культей рук получают возможность нормально жить, управляя движением не только локтевого сустава, но и каждого пальца по отдельности,

• активно применяются нейросети, благодаря которым бионические протезы со стереокамерой обучаются хватать разные типы предметов,

• появилась возможность управлять движением протезов, посылая сигналы не через периферийные нервные волокна, а напрямую из коры головного мозга, при этом ощущая прикосновения. 

Как ни странно, «Бостонская рука» продается и сейчас — хоть и намного более доработанная, чем первые версии Альтера и Ротшильда. 

Если вас заинтересовала тема протезирования, то по ссылкам можно прочитать об устройстве современной «Бостонской руки», а также познакомиться с программным обеспечением.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.