Большинство наших протезов — детские. Это механические протезы кисти и предплечья. Биоэлектрический протез Страдивари с лета 2017 тестируют взрослые пользователи.
В новом году мы начинаем разработку детского бионического протеза.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/b9a/a5f/98d/b9aa5f98d708b506289ba72b4b01e2a2.jpg)
Что мы хотим учесть и над чем будем работать:
1. Проблемы и вызовы
2. Что есть в России и мире
3. Что могло бы быть (последние разработки — вживление, степени свободы, обратная связь)
4. Дизайн
5. Наше предложение
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/12c/072/d23/12c072d23f1a696ebfa28f7657eeecce.jpg)
Детский протез должен соответствовать возрасту ребёнка по размеру и весу. Вес, помноженный на рычаг гильзы, определяет степень усталости руки. При несоответствии параметров может заметно измениться осанка, появятся боли в позвоночнике и суставах. Масса протеза — это аккумулятор, моторы и приёмная гильза.
В существующих протезах аккумулятор находится в культеприемной гильзе. Чтобы не увеличивать ее, нужен аккумулятор меньшего размера и, соответственно, ёмкости. Можно рассмотреть вариант «горячей» замены аккумулятора (3-4 раза в день), применять тонкопленочные аккумуляторы или дождаться разработки графеновых аккумуляторов (а в перспективе и ядерной батарейки).
С моторами сложнее: мощные+лёгкие = дорогие, а мощность даёт скорость и силу сжатия. Допустим, поступимся силой. Ребёнок сможет выполнять рукой разные манипуляции, даже складывать жесты. Но поднять и удержать что-то тяжелое (хотя бы 2-3 кг) возможности уже не будет. Можно пожертвовать скоростью. Зато надежно и цепко. Тоже спорно. Медленно сгибать и разгибать кисть крайне не удобно, да и не высокотехнологично. Отсутствие дешевых мощных микродвигателей — ключевая проблема в разработке детского протеза. Лишь несколько компаний в мире занимаются разработкой таких двигателей, они применяются в авиации, марсоходах, медицинских роботах.
Вторая проблема — это стоимость и необходимость замены по мере роста ребёнка. Бионические протезы редко вписывают в программу детской реабилитации, несмотря на рекомендации специалистов. Замена гильзы потребуется уже через полгода-год. Модуль кисти станет заметно меньше второй руки через полтора-два года. Стоимость бионического протеза не может быть ниже 200 тыс руб (цена мотор-редукторов, индивидуальное изготовление гильзы). И получается, что такие расходы нужны будут регулярно. Как решить эту проблему?
Мотор-редукторы — их либо 6 (на каждый палец, на большой — два) и есть возможность управлять пальцами отдельно; либо один — тогда рука делает только схват в щепоть. По опыту взрослых пользователей, количество жестов не принципиально, но схват (даже один) должен быть надежным и быстрым.
Гильзы для протезов традиционно дорогие. По общим правилам, они состоят из 2 частей — внешней жесткой несущей гильзы, выполненной из слоистых пластиков или карбона, и внутреннего мягкого вкладыша из силикона или полиуретанов. Материалов и технологий изготовления достаточно много, у каждого есть свои преимущества и недостатки. Изготавливаются гильзы строго по слепку, даже если они предназначены для использования быстрорастущими детьми. Кроме того, постоянное ношение устройства, которое не совсем подходит, может быть болезненным и вызывает разочарование, вплоть до отказа от использования. Классический способ изготовления гильзы — гипс, каркас, смола и ламинирование:
Стоит задача придумать гильзу, которая будет расти с ребенком и настраиваться индивидуально.
Подходящим вариантом будет скелетная система с регулируемым компрессионным гнездом с закрывающим устройством для шнуровки. Эти гнезда расширяются для обеспечения быстро растущей конечности и позволяют использовать протез более длительный период времени между фитингами. Кроме того, скелетная гильза будет существенно легче.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/c61/2fd/cc8/c612fdcc8ee0ef52c7a17d2af799877b.png)
Другой путь решения проблемы — разделить 2 процесса. Гильза делается индивидуально раз в полгода, с соблюдением нового единогласного стандарта в части крепления кисти и размещения датчиков. А модуль кисти заменяется по мере роста ребенка раз в 1,5-2 года и используется повторно другим ребенком. При регулярном ТО модуль прослужит более 5 лет, при этом сохраняется внутренняя механика кисти с обновлением внешнего вида по желанию нового пользователя. Сейчас же после года использования дорогостоящие зарубежные протезы часто лежат на полке.
Третья проблема — хрупкость бионических протезов. Мало того, что они реагируют на влагу и магнитные поля, так и дети используют протез по-разному.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/b42/f33/4fc/b42f334fcf6e43c3bcf1ebabdc2c9be9.jpg)
Нам нужен прочный, либо ремонтопригодный протез, желательно влагоустойчивый и моющийся. Иначе протез будет использоваться только по особым случаям.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/038/609/2de/0386092de20321f6c337451614ecdb48.jpg)
Протезирование рекомендуют с года, иногда даже полугода. К протезам верхних конечностей дети готовы, когда они начинают сидеть и использовать обе руки — в возрасте от 3 до 7 месяцев. Плюсы раннего протезирования — формирование привычки и симметричное развитие мышц верхнего плечевого пояса. Ребёнку в таком возрасте еще сложно справиться с активным протезом. Косметические протезы — это подобие руки из телесного силикона или ПВХ. Хват такой рукой не сделать, но тяжесть, хоть и небольшая, создаёт нагрузку на мышцы, а ребёнок привыкает к правильным движениям рукой. Косметические протезы включают также в ИПРА детей старшего возраста. Функционала у такой руки нет, а неподвижная рука манекена выглядит довольно подозрительно, поэтому обычно протез не надевают.
Косметический протез получить просто. Налажено производство по типоразмерам. В региональных протезных предприятиях всегда можно бесплатно получить такой протез. При самостоятельном приобретении его стоимость составит 20-30 тыс.руб.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/7ec/705/ad5/7ec705ad55a7bf9d75b67bd3df1e074f.jpg)
В Германии даже производят косметические протезы с полной детализацией — волоски на коже, акриловые ногти, — их стоимость от 100 000 руб.
Второй вид детских протезов — тяговые (активные). Протезы кисти работают за счёт движения лучезапястного сустава. Предплечья — локтя или другой руки. Плеча — за счёт мышц плечевого пояса. Согнул руку — пальцы сжались. Разогнул — выпрямились. Или наоборот. В соревнованиях Кибатлон и Кибатлетика тяговые протезы пока легко побеждают биоэлектрические. Тяговый протез проще в управлении. Нет задержки в реакции, есть возможность контролировать силу сжатия. При наличии сопротивления, когда предмет жёсткий, возникает своеобразная обратная связь. Минусы тяговых протезов, которые можно преодолеть в биоэлекрическом протезе, — это сила сжатия и потеря степени свободы в лучезапястном/локтевом/плечевом суставе. Вернемся к тяговым детским протезам, которые есть в мире.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/327/18e/43e/32718e43e5d97ea56578991bcd34e051.jpg)
В Штатах распространены протезы-крюки. Между двумя металлическими частями можно зажимать различные вещи, управление по тяговому принципу.
В протезных предприятиях России тяговые протезы традиционно делают пятипалыми и используют косметическую оболочку, схват кисти осуществляется за счет движения в локте или плечевом поясе.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/960/278/c86/960278c86f971e7ea1ae953ee2a9a2e4.jpg)
Мы также делаем протезы антропоморфными, но дизайн при этом далёк от имитации здоровой руки. Протез позволяет выполнять схват в щепоть, держать небольшие предметы, есть регулировка силы и очередности сжатия пальцев.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/d77/534/76f/d7753476f92473bd52e62839be48019e.jpg)
Каждый протез оснащается дополнительно функциональными и игровыми насадками — для скакалки, телефона, столовых приборов, фонарика — и даже позволяют играть в компьютерные/мобильные игры.
Тяговые детские протезы делают на open source площадках e-nable, open bionics и robohand.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/6bd/bef/4a5/6bdbef4a58c57ea45f9f4187b571d181.jpg)
Используется модель единой благотворительной площадки для конструкторов, владельцев 3D-принтеров и детей, которым нужен протез. В открытый доступ выложены файлы для печати элементов на бытовых FDM принтерах. Преимущества Open source в возможности сделать низкой стоимость изделия и привлечь к работе новых людей из других областей со всего мира. Именно robohand вдохновил нас в 2013 году.
Из минусов — низкое качество, отсутствие полноценной технической поддержки, не учитываются сложные индивидуальные особенности культи и нет программы подготовки к протезированию и последующей реабилитации.
Отдельно стоит выделить специализированные “рабочие” протезы. Это протезы для выполнения определенной узкой задачи. Например, катание на велосипеде, стрельба из лука или занятия гимнастикой.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/aec/a35/2ce/aeca352ceb6562027c658de95b4b7b2a.jpg)
И, наконец, детские биоэлектрические протезы.
Такие давно существуют.
Реклама Electrohand 2000 от Оттобока в журнале 1989 года:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/f45/1bc/897/f451bc89731d94f6847538743381cc15.jpg)
Протез хорошо зарекомендовал себя в использовании детьми, поэтому за 30 лет он почти не изменился:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/8cd/4fb/32b/8cd4fb32b828433beea7d1731259c360.jpg)
Около 2 лет существует женский (он же детский) протез BeBionic. Его вес 390 г ( на 30% меньше стандартных взрослых моделей), длина 16,5 см. Такая рука может подойти подросткам. Рыночная цена — 1,5-2 млн руб. В прошлом году компанию Steeper (производитель BeBionic) приобрел Otto Bock, возможно, в скором времени путем коллаборации появится новый протез для детей.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/df1/223/a3c/df1223a3c5e45a47b5c84570d21d5950.jpg)
Детская кисть есть также у Touch Bionics и довольно сильно похожих на них Vincent Systems. Стоимость протеза около 2-4 млн. руб.
Учитывая функциональные ограничения современных протезов — 2 миодатчика, ступенчатый выбор жеста, сложности крепления, низкая надежность, — такие расходы кажутся неоправданными.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/b35/087/d68/b35087d68b8fe55778b4986e30450006.jpg)
И наш любимый биоэлектрический протез Lego. Его нельзя использовать в жизни, но интересны конструкторские решения.
Коротко, можно выделить 4 класса изделий — косметические, механические, рабочие и миоэлектрические (бионические) протезы руки.
Косметические протезы выполняют декоративную функцию:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/630/865/5fc/6308655fcab5912275d81ea1d6e2764f.jpg)
Механические протезы работают по тяговому принципу:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/92f/ce6/197/92fce6197661a8267f722fcc7bda2758.png)
Миоэлектрические протезы обладают более высокой функциональностью и являются на сегодня самыми современными протезами:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/8a0/517/145/8a051714553fdc6a80da564fd31e1dd6.jpg)
Благодаря множеству материалов в СМИ об очувствлении протезов и управлении силой мысли, кажется, что проблема уже давно решена, и, что используя open source, можно хоть сегодня заказать себе дешёвый, современный протез с полным функционалом.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/c71/62d/db9/c7162ddb9df16ed481cff8f6caa7fc72.jpg)
На деле в США (госпиталь Шрайнерс, Лос-Анджелес) делают такие протезы:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/26f/b7b/bfb/26fb7bbfbccc2ebf0d25fbcdd083c041.jpg)
И это на сегодня, пожалуй, самое функциональное решение для Вадима: тяговые протезы с двумя видами захватов — крюк и крокодил.
И всё-таки вернемся к Штатам и высоким технологиям. Учитывая технологические достижения последних 10-15 лет, очевидно, что протезы рук значительно отстают от возможностей нашего времени.
Интересные исследования ведутся во всем мире, но пока совсем рано говорить о массовом использовании.
— инвазивные электроды для управления
— очувствление протеза
— появление новых степеней свободы
— нейроинтерфейсы
Наиболее интересные и перспективные проекты:
Следует понимать, что протезы из представленных трех проектов не коммерциализированы и находятся в стадии разработок, не доступны к установке. Но уже появилась компания, которая будет представлять протезы LUKE arm (DARPA )
В конструкции протеза DARPA использованы самые передовые военные и гражданские технологии (двигатели, аккумуляторы, материалы), из-за чего стоимость протеза превышает по самым скромным оценкам $100.000
Итак, что могло бы быть:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/0ce/af1/848/0ceaf1848ca8c5885a6b589e3004a9c9.png)
По нашему опыту для детей важна не столько функциональность протеза, сколько его внешний вид (хотя для родителей — наоборот). Рука робота, чудо-гаджет, стильный аксессуар — это возможность показать, что быть особенным может быть интересно.
К антропоморфной форме есть много вопросов. Учитывая характер управления и наличие всего 2 каналов передачи информации (традиционные 2 мио датчика), наличие 5 пальцев излишне. Всё, что мы можем делать сейчас, это сгибать и разгибать кисть.
Рука при этом может выглядеть так:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/d00/9d3/742/d009d374244542f6638708b360c05fa6.jpg)
Или так:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/2cd/80e/7b7/2cd80e7b7704060a158687d1c81fb1f3.jpg)
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/8ce/1b3/7c0/8ce1b37c0921cc15efc689dfb3132fce.jpg)
Большинство протезов выглядят как обычная рука или, точнее, рука манекена.
Традиционный путь в дизайне протеза — это иммитация кожи. И мы оказываемся в “Зловещей долине”. Не хочется идти этим путем.
Дети гораздо толерантнее и, наверно, эксцентричнее взрослых, которые маскируют травму.
Протез как перчатка:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/42e/c94/fe6/42ec94fe60eec7e9d37af00407a7b2b8.jpg)
Или рука терминатора:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/1dd/f69/c38/1ddf69c386b7f622c939ec5a6965e575.jpg)
Для Mercedes-Benz Fashion Week в этом году мы делали 2 таких протеза:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/51c/106/b07/51c106b07ca4d95db820958623294c8b.jpg)
Интересны варианты, когда есть умная начинка и съемный каркас, который можно менять на свой вкус.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/881/758/8ef/8817588efc5465dd97f413ad132df45b.jpg)
Резюмирую и выскажу наши идеи.
Детский протез должен быть меньше, легче, прочнее. Тяговый протез – хорошо, но все хотят роборуку. Биоэлектрический протез позволит удерживать более тяжелые предметы и хорошо бы, чтобы он обладал большей маневренностью и возможностью жестикуляции.
Протез при этом должен выглядеть круто. Железный человек, терминатор и Люк Скайуокер научили детей, что это вполне возможно. Альтернатива на сегодня – это косметические протезы, активные тяговые и биоэлектрический протез предплечья от Otto Bock (цена от 500 000 руб).
Что хотим сделать мы: доступный (вернее даже бесплатный по ИПРА) детский электронный протез, в первой версии схват будет один (в силу веса, стоимости и надежности), выглядеть он должен интересно, пока не решили как, спорим; будут съемные, заменяемые детали или даже весь корпус.
Функционал.
Попробуем выделить важное и возможное уже сегодня:
— держать предметы разной формы (пользоваться столовыми приборами, ручкой, печатать на клавиатуре, держать стилус для сенсорных экранов или сделать проводящую насадку на самом протезе)
— потоковая система управления: скорость и сила сжатия контролируются пропорционально силе сигнала, полученного от мышц
— лучезапястный шарнир, который позволяет выполнять сгибание, разгибание и вращение. Такая гибкость при пользовании протезом позволит избавиться от компенсаторных движений руки и тела
— протез как цифровое устройство с функционалом смартфона.
Кроме того сейчас мы работаем над новой системой снятия сигнала с мышц руки.
Планируем применить это и в детском протезе, использовать сразу 4 ЭМГ датчика нашей разработки, которые позволят распознавать до 10 жестов в режиме реального времени (для протеза предплечья). Такая система управления необходима для создания второй, более функциональной версии протеза. Она будет обладать не только достаточными силовыми характеристиками, но и выполнять определенный набор жестов.
Если Вы хотите присоединиться к разработке или у вас есть идеи по механизму, конструкции, дизайну протеза, опыт использования, приглашаем Вас в наш рабочий чат: t.me/cyborgsamongus
Продолжим обсуждение в формате диалога.
Детские протезы могут и должны быть удобнее, полезнее и, наверно, забавнее, чем те, которые обычно используются сейчас.
Пока родители задаются вопросом: сможет ли их особенный ребенок сделать то, что делают другие — дети думают, как можно еще использовать новую «роборуку» и что бы в нее добавить.
В новом году мы начинаем разработку детского бионического протеза.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/b9a/a5f/98d/b9aa5f98d708b506289ba72b4b01e2a2.jpg)
Что мы хотим учесть и над чем будем работать:
1. Проблемы и вызовы
2. Что есть в России и мире
3. Что могло бы быть (последние разработки — вживление, степени свободы, обратная связь)
4. Дизайн
5. Наше предложение
1. Проблемы и вызовы
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/12c/072/d23/12c072d23f1a696ebfa28f7657eeecce.jpg)
Детский протез должен соответствовать возрасту ребёнка по размеру и весу. Вес, помноженный на рычаг гильзы, определяет степень усталости руки. При несоответствии параметров может заметно измениться осанка, появятся боли в позвоночнике и суставах. Масса протеза — это аккумулятор, моторы и приёмная гильза.
В существующих протезах аккумулятор находится в культеприемной гильзе. Чтобы не увеличивать ее, нужен аккумулятор меньшего размера и, соответственно, ёмкости. Можно рассмотреть вариант «горячей» замены аккумулятора (3-4 раза в день), применять тонкопленочные аккумуляторы или дождаться разработки графеновых аккумуляторов (а в перспективе и ядерной батарейки).
С моторами сложнее: мощные+лёгкие = дорогие, а мощность даёт скорость и силу сжатия. Допустим, поступимся силой. Ребёнок сможет выполнять рукой разные манипуляции, даже складывать жесты. Но поднять и удержать что-то тяжелое (хотя бы 2-3 кг) возможности уже не будет. Можно пожертвовать скоростью. Зато надежно и цепко. Тоже спорно. Медленно сгибать и разгибать кисть крайне не удобно, да и не высокотехнологично. Отсутствие дешевых мощных микродвигателей — ключевая проблема в разработке детского протеза. Лишь несколько компаний в мире занимаются разработкой таких двигателей, они применяются в авиации, марсоходах, медицинских роботах.
Вторая проблема — это стоимость и необходимость замены по мере роста ребёнка. Бионические протезы редко вписывают в программу детской реабилитации, несмотря на рекомендации специалистов. Замена гильзы потребуется уже через полгода-год. Модуль кисти станет заметно меньше второй руки через полтора-два года. Стоимость бионического протеза не может быть ниже 200 тыс руб (цена мотор-редукторов, индивидуальное изготовление гильзы). И получается, что такие расходы нужны будут регулярно. Как решить эту проблему?
Мотор-редукторы — их либо 6 (на каждый палец, на большой — два) и есть возможность управлять пальцами отдельно; либо один — тогда рука делает только схват в щепоть. По опыту взрослых пользователей, количество жестов не принципиально, но схват (даже один) должен быть надежным и быстрым.
Гильзы для протезов традиционно дорогие. По общим правилам, они состоят из 2 частей — внешней жесткой несущей гильзы, выполненной из слоистых пластиков или карбона, и внутреннего мягкого вкладыша из силикона или полиуретанов. Материалов и технологий изготовления достаточно много, у каждого есть свои преимущества и недостатки. Изготавливаются гильзы строго по слепку, даже если они предназначены для использования быстрорастущими детьми. Кроме того, постоянное ношение устройства, которое не совсем подходит, может быть болезненным и вызывает разочарование, вплоть до отказа от использования. Классический способ изготовления гильзы — гипс, каркас, смола и ламинирование:
Стоит задача придумать гильзу, которая будет расти с ребенком и настраиваться индивидуально.
Подходящим вариантом будет скелетная система с регулируемым компрессионным гнездом с закрывающим устройством для шнуровки. Эти гнезда расширяются для обеспечения быстро растущей конечности и позволяют использовать протез более длительный период времени между фитингами. Кроме того, скелетная гильза будет существенно легче.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/c61/2fd/cc8/c612fdcc8ee0ef52c7a17d2af799877b.png)
Другой путь решения проблемы — разделить 2 процесса. Гильза делается индивидуально раз в полгода, с соблюдением нового единогласного стандарта в части крепления кисти и размещения датчиков. А модуль кисти заменяется по мере роста ребенка раз в 1,5-2 года и используется повторно другим ребенком. При регулярном ТО модуль прослужит более 5 лет, при этом сохраняется внутренняя механика кисти с обновлением внешнего вида по желанию нового пользователя. Сейчас же после года использования дорогостоящие зарубежные протезы часто лежат на полке.
Третья проблема — хрупкость бионических протезов. Мало того, что они реагируют на влагу и магнитные поля, так и дети используют протез по-разному.
Макс катается на роликах, на хоккейных коньках. Носится, бегает, прыгает. Временами отцепляет руку и использует её как дубину. И тоже самое делают его друзья. Обычный пацан. Не уследить.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/b42/f33/4fc/b42f334fcf6e43c3bcf1ebabdc2c9be9.jpg)
Нам нужен прочный, либо ремонтопригодный протез, желательно влагоустойчивый и моющийся. Иначе протез будет использоваться только по особым случаям.
2. Что есть в России и мире
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/038/609/2de/0386092de20321f6c337451614ecdb48.jpg)
Протезирование рекомендуют с года, иногда даже полугода. К протезам верхних конечностей дети готовы, когда они начинают сидеть и использовать обе руки — в возрасте от 3 до 7 месяцев. Плюсы раннего протезирования — формирование привычки и симметричное развитие мышц верхнего плечевого пояса. Ребёнку в таком возрасте еще сложно справиться с активным протезом. Косметические протезы — это подобие руки из телесного силикона или ПВХ. Хват такой рукой не сделать, но тяжесть, хоть и небольшая, создаёт нагрузку на мышцы, а ребёнок привыкает к правильным движениям рукой. Косметические протезы включают также в ИПРА детей старшего возраста. Функционала у такой руки нет, а неподвижная рука манекена выглядит довольно подозрительно, поэтому обычно протез не надевают.
Косметический протез получить просто. Налажено производство по типоразмерам. В региональных протезных предприятиях всегда можно бесплатно получить такой протез. При самостоятельном приобретении его стоимость составит 20-30 тыс.руб.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/7ec/705/ad5/7ec705ad55a7bf9d75b67bd3df1e074f.jpg)
В Германии даже производят косметические протезы с полной детализацией — волоски на коже, акриловые ногти, — их стоимость от 100 000 руб.
Второй вид детских протезов — тяговые (активные). Протезы кисти работают за счёт движения лучезапястного сустава. Предплечья — локтя или другой руки. Плеча — за счёт мышц плечевого пояса. Согнул руку — пальцы сжались. Разогнул — выпрямились. Или наоборот. В соревнованиях Кибатлон и Кибатлетика тяговые протезы пока легко побеждают биоэлектрические. Тяговый протез проще в управлении. Нет задержки в реакции, есть возможность контролировать силу сжатия. При наличии сопротивления, когда предмет жёсткий, возникает своеобразная обратная связь. Минусы тяговых протезов, которые можно преодолеть в биоэлекрическом протезе, — это сила сжатия и потеря степени свободы в лучезапястном/локтевом/плечевом суставе. Вернемся к тяговым детским протезам, которые есть в мире.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/327/18e/43e/32718e43e5d97ea56578991bcd34e051.jpg)
В Штатах распространены протезы-крюки. Между двумя металлическими частями можно зажимать различные вещи, управление по тяговому принципу.
В протезных предприятиях России тяговые протезы традиционно делают пятипалыми и используют косметическую оболочку, схват кисти осуществляется за счет движения в локте или плечевом поясе.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/960/278/c86/960278c86f971e7ea1ae953ee2a9a2e4.jpg)
Мы также делаем протезы антропоморфными, но дизайн при этом далёк от имитации здоровой руки. Протез позволяет выполнять схват в щепоть, держать небольшие предметы, есть регулировка силы и очередности сжатия пальцев.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/d77/534/76f/d7753476f92473bd52e62839be48019e.jpg)
Каждый протез оснащается дополнительно функциональными и игровыми насадками — для скакалки, телефона, столовых приборов, фонарика — и даже позволяют играть в компьютерные/мобильные игры.
Тяговые детские протезы делают на open source площадках e-nable, open bionics и robohand.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/6bd/bef/4a5/6bdbef4a58c57ea45f9f4187b571d181.jpg)
Используется модель единой благотворительной площадки для конструкторов, владельцев 3D-принтеров и детей, которым нужен протез. В открытый доступ выложены файлы для печати элементов на бытовых FDM принтерах. Преимущества Open source в возможности сделать низкой стоимость изделия и привлечь к работе новых людей из других областей со всего мира. Именно robohand вдохновил нас в 2013 году.
Из минусов — низкое качество, отсутствие полноценной технической поддержки, не учитываются сложные индивидуальные особенности культи и нет программы подготовки к протезированию и последующей реабилитации.
Отдельно стоит выделить специализированные “рабочие” протезы. Это протезы для выполнения определенной узкой задачи. Например, катание на велосипеде, стрельба из лука или занятия гимнастикой.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/aec/a35/2ce/aeca352ceb6562027c658de95b4b7b2a.jpg)
И, наконец, детские биоэлектрические протезы.
Такие давно существуют.
Реклама Electrohand 2000 от Оттобока в журнале 1989 года:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/f45/1bc/897/f451bc89731d94f6847538743381cc15.jpg)
Протез хорошо зарекомендовал себя в использовании детьми, поэтому за 30 лет он почти не изменился:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/8cd/4fb/32b/8cd4fb32b828433beea7d1731259c360.jpg)
Около 2 лет существует женский (он же детский) протез BeBionic. Его вес 390 г ( на 30% меньше стандартных взрослых моделей), длина 16,5 см. Такая рука может подойти подросткам. Рыночная цена — 1,5-2 млн руб. В прошлом году компанию Steeper (производитель BeBionic) приобрел Otto Bock, возможно, в скором времени путем коллаборации появится новый протез для детей.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/df1/223/a3c/df1223a3c5e45a47b5c84570d21d5950.jpg)
Детская кисть есть также у Touch Bionics и довольно сильно похожих на них Vincent Systems. Стоимость протеза около 2-4 млн. руб.
Учитывая функциональные ограничения современных протезов — 2 миодатчика, ступенчатый выбор жеста, сложности крепления, низкая надежность, — такие расходы кажутся неоправданными.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/b35/087/d68/b35087d68b8fe55778b4986e30450006.jpg)
И наш любимый биоэлектрический протез Lego. Его нельзя использовать в жизни, но интересны конструкторские решения.
Коротко, можно выделить 4 класса изделий — косметические, механические, рабочие и миоэлектрические (бионические) протезы руки.
Косметические протезы выполняют декоративную функцию:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/630/865/5fc/6308655fcab5912275d81ea1d6e2764f.jpg)
Преимущества | Недостатки |
---|---|
Хорошо зарекомендовали себя при частичной ампутации кистей | Отсутствие активного схвата |
Небольшой вес | Очень ограниченная функциональность |
Простота в изготовлении и применении | Дорогие индивидуальные силиконовые оболочки |
Невысокие расходы на техническое обслуживание | |
Низкая стоимость (за исключением индивидуальной косметической оболочки) |
Механические протезы работают по тяговому принципу:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/92f/ce6/197/92fce6197661a8267f722fcc7bda2758.png)
Преимущества | Недостатки |
---|---|
Стабильная конструкция | Ограниченная сила захвата |
Небольшой вес | Ограниченная степень движений |
Приемлемая цена | Система тяг может быть некомфортной и ограничивать движения |
Невысокие расходы на техническое обслуживание | |
Устойчивость к влаге, простой уход |
Миоэлектрические протезы обладают более высокой функциональностью и являются на сегодня самыми современными протезами:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/8a0/517/145/8a051714553fdc6a80da564fd31e1dd6.jpg)
Преимущества | Недостатки |
---|---|
Высокая сила схвата | Высокая стоимость |
Повышенный комфорт и большая свобода движений | Увеличенный вес |
Возможность выполнения нескольких жестов в зависимости от модели | Хрупкая конструкция |
Иногда привлекательный футуристичный дизайн | Ненадежность механизма, частый ремонт |
Необходимость в заряде аккумулятора |
Благодаря множеству материалов в СМИ об очувствлении протезов и управлении силой мысли, кажется, что проблема уже давно решена, и, что используя open source, можно хоть сегодня заказать себе дешёвый, современный протез с полным функционалом.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/c71/62d/db9/c7162ddb9df16ed481cff8f6caa7fc72.jpg)
На деле в США (госпиталь Шрайнерс, Лос-Анджелес) делают такие протезы:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/26f/b7b/bfb/26fb7bbfbccc2ebf0d25fbcdd083c041.jpg)
И это на сегодня, пожалуй, самое функциональное решение для Вадима: тяговые протезы с двумя видами захватов — крюк и крокодил.
3. Что могло бы быть (последние разработки — вживление, степени свободы, обратная связь)
И всё-таки вернемся к Штатам и высоким технологиям. Учитывая технологические достижения последних 10-15 лет, очевидно, что протезы рук значительно отстают от возможностей нашего времени.
Интересные исследования ведутся во всем мире, но пока совсем рано говорить о массовом использовании.
— инвазивные электроды для управления
— очувствление протеза
— появление новых степеней свободы
— нейроинтерфейсы
Наиболее интересные и перспективные проекты:
- DARPA MPL — остеоинтеграция, инвазивное управление, протез полной руки с максимально похожей кинематикой, виртуальное обучение
Протез плеча обладает 26 степенями свободы, 17 из которых моторизованы, т.е. должны управляться пользователем. Система управления таким протезом построена на реконструктивной хирургии и/или вживляемых в грудные мышцы датчиках.
Для протеза предплечья и плеча разработчики остановились на поверхностных ЭМГ-электродах в протезе предплечья используются 4 электрода, в плече — 8. Электроды выполнены в виде браслета, который также содержит сборку инерциальных датчиков (гироскопы, акселерометры), что позволяет задавать режимы протезу в зависимости от движения руки в пространстве. Использование большего числа датчиков позволяет вычислять некоторые паттерны фантомных жестов, что существенно увеличивает количество программируемых хватов на 1 режим до 5-6 (вместо 1-2 у коммерческих протезов). Однако же большее число датчиков требует более тонкой настройки и вероятность сбоев и ложных распознаваний увеличивается. Кроме того стоит проблема жесткой фиксации датчиков, что делает использование браслета крайне неудобным (браслет сильно сдавливает руку). - OPRA Osseointegration — остеоинтеграция, инвазивное управление
Особенность протеза заключается в отсутствии культеприемной гильзы, вместо которой использован титановый штырь, вживленный в кость методом остеоинтеграции. Сложности существующих технологий остеоинтеграции заключаются в том, что среднее время жизни титановым имплантов — 5 лет, после чего требуется повторная операция по замене импланта. - LifeHand 2 — инвазивное управление, очувствление протеза (интеграция датчиков обратной связи с периферической нервной системой человека)
Главная цель исследований — создание двунаправленной биологической системы управления протезами. Т.е. одни и те же электрода должны считывать управляющие сигналы с периферических нервов культи, к которым подключены, а также передавать обратное воздействие от датчиков, расположенных в кисти.
Следует понимать, что протезы из представленных трех проектов не коммерциализированы и находятся в стадии разработок, не доступны к установке. Но уже появилась компания, которая будет представлять протезы LUKE arm (DARPA )
В конструкции протеза DARPA использованы самые передовые военные и гражданские технологии (двигатели, аккумуляторы, материалы), из-за чего стоимость протеза превышает по самым скромным оценкам $100.000
Итак, что могло бы быть:
4. Дизайн: use your difference
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/0ce/af1/848/0ceaf1848ca8c5885a6b589e3004a9c9.png)
По нашему опыту для детей важна не столько функциональность протеза, сколько его внешний вид (хотя для родителей — наоборот). Рука робота, чудо-гаджет, стильный аксессуар — это возможность показать, что быть особенным может быть интересно.
К антропоморфной форме есть много вопросов. Учитывая характер управления и наличие всего 2 каналов передачи информации (традиционные 2 мио датчика), наличие 5 пальцев излишне. Всё, что мы можем делать сейчас, это сгибать и разгибать кисть.
Рука при этом может выглядеть так:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/d00/9d3/742/d009d374244542f6638708b360c05fa6.jpg)
Или так:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/2cd/80e/7b7/2cd80e7b7704060a158687d1c81fb1f3.jpg)
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/8ce/1b3/7c0/8ce1b37c0921cc15efc689dfb3132fce.jpg)
Большинство протезов выглядят как обычная рука или, точнее, рука манекена.
Традиционный путь в дизайне протеза — это иммитация кожи. И мы оказываемся в “Зловещей долине”. Не хочется идти этим путем.
Дети гораздо толерантнее и, наверно, эксцентричнее взрослых, которые маскируют травму.
Протез как перчатка:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/42e/c94/fe6/42ec94fe60eec7e9d37af00407a7b2b8.jpg)
Или рука терминатора:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/1dd/f69/c38/1ddf69c386b7f622c939ec5a6965e575.jpg)
Для Mercedes-Benz Fashion Week в этом году мы делали 2 таких протеза:
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/51c/106/b07/51c106b07ca4d95db820958623294c8b.jpg)
Интересны варианты, когда есть умная начинка и съемный каркас, который можно менять на свой вкус.
![image](https://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/881/758/8ef/8817588efc5465dd97f413ad132df45b.jpg)
5. Наше предложение
Резюмирую и выскажу наши идеи.
Детский протез должен быть меньше, легче, прочнее. Тяговый протез – хорошо, но все хотят роборуку. Биоэлектрический протез позволит удерживать более тяжелые предметы и хорошо бы, чтобы он обладал большей маневренностью и возможностью жестикуляции.
Протез при этом должен выглядеть круто. Железный человек, терминатор и Люк Скайуокер научили детей, что это вполне возможно. Альтернатива на сегодня – это косметические протезы, активные тяговые и биоэлектрический протез предплечья от Otto Bock (цена от 500 000 руб).
Что хотим сделать мы: доступный (вернее даже бесплатный по ИПРА) детский электронный протез, в первой версии схват будет один (в силу веса, стоимости и надежности), выглядеть он должен интересно, пока не решили как, спорим; будут съемные, заменяемые детали или даже весь корпус.
Функционал.
Попробуем выделить важное и возможное уже сегодня:
— держать предметы разной формы (пользоваться столовыми приборами, ручкой, печатать на клавиатуре, держать стилус для сенсорных экранов или сделать проводящую насадку на самом протезе)
— потоковая система управления: скорость и сила сжатия контролируются пропорционально силе сигнала, полученного от мышц
— лучезапястный шарнир, который позволяет выполнять сгибание, разгибание и вращение. Такая гибкость при пользовании протезом позволит избавиться от компенсаторных движений руки и тела
— протез как цифровое устройство с функционалом смартфона.
Кроме того сейчас мы работаем над новой системой снятия сигнала с мышц руки.
Планируем применить это и в детском протезе, использовать сразу 4 ЭМГ датчика нашей разработки, которые позволят распознавать до 10 жестов в режиме реального времени (для протеза предплечья). Такая система управления необходима для создания второй, более функциональной версии протеза. Она будет обладать не только достаточными силовыми характеристиками, но и выполнять определенный набор жестов.
Если Вы хотите присоединиться к разработке или у вас есть идеи по механизму, конструкции, дизайну протеза, опыт использования, приглашаем Вас в наш рабочий чат: t.me/cyborgsamongus
Продолжим обсуждение в формате диалога.
Заключение
Детские протезы могут и должны быть удобнее, полезнее и, наверно, забавнее, чем те, которые обычно используются сейчас.
Пока родители задаются вопросом: сможет ли их особенный ребенок сделать то, что делают другие — дети думают, как можно еще использовать новую «роборуку» и что бы в нее добавить.