Придумано нами. Бионический протез кисти руки

Если вы думаете, что создать какой-то прорывной гаджет под силу только на Западе, то сильно ошибаетесь. «Мир Белогорья» запускает цикл материалов о белгородских ученых, чьи разработки не имеют аналогов ни в России, ни даже в мире. Мы расскажем не только о конкретных изобретениях, которые призваны улучшить нашу жизнь и поднять престиж отечественного изобретателя, но и о новых теориях, системных методах и подходах к решению актуальных проблем. В любом случае это будет нечто прорывное. Наглядный пример – бионический протез кисти руки, который разработали белгородские ученые из НИУ «БелГУ». Меньше чем за год они смогли создать прототип, который сможет вернуть человеку тактильные ощущения и будет стоить в десятки раз меньше зарубежных аналогов.

Как возникла идея

По данным Института статистических исследований и экономики знаний ВШЭ, в прошлом году только официальный статус инвалидности имело около 9 % населения, то есть почти каждый десятый россиянин. При этом, согласно информации Всемирной организации здравоохранения, фактически доля людей с ограниченными возможностями вдвое больше. Численность инвалидов в мире увеличивается, ежегодно ими становятся более 50 млн человек. Отдельную категорию составляют те, кто лишился конечностей, – качество жизни таких людей на несколько порядков ниже, и вопрос протезирования для них самый насущный.

Работу над проектом бионического протеза кисти руки ведут Андрей Гладышев и Анастасия Попова магистранты Института инженерных технологий и естественных наук, а помогают им в этом профессор кафедры материаловедения и нанотехнологий, доктор технических наук Андрей Афонин, занимающийся теоретической базой исследования, и руководитель студенческого конструкторского бюро Андрей Алейников, курирующий техническую составляющую проекта. Именно он объяснил нам основной принцип работы будущего изделия.

Идея создать протез кисти руки появилась у белгородских ученых в октябре 2015 года. А потом… В декабре в Москве проходила III Национальная ежегодная выставка-форум «ВУЗПРОМЭКСПО-2015», где демонстрируются отечественные достижения в сфере инновационного производства. Белгородцы были удивлены, что никто из участников экспозиции не смог представить протез кисти руки, который бы можно было использовать здесь и сейчас. Это стало еще одним подтверждением, что выбранное направление верное, и двигаться в нем нужно обязательно.

Как у них

Создание любого нового устройства начинается с анализа возможностей уже существующих разработок. Проблемой протезирования и создания соответствующих изделий занимаются ученые всего мира, и в первую очередь Европы.

Например, израильские разработчики предлагают протез SmartHand, который оснащен четырьмя десятками датчиков, активирующихся, когда пользователь нажимает рукой на объект, тем самым возвращая чувствительность. В Великобритании разработан протез i-Limb Ultra Revolution, в памяти которого 24 действия и которым можно управлять при помощи мышц руки или даже через смартфон. Эта же страна предложила еще один протез – BeBionic. Он крепится к плечевой кости благодаря вакуумному замку. Программируемые сенсоры внутри считывают электрические сигналы от сокращения двух мышц, а микропроцессор и отдельные двигатели у каждого пальца позволяют совершать плавные, скоординированные движения. Немецкий концерн Ottobock разработал протез Michelangelo. У него семь основных хватов, которые позволяют управлять четырьмя пальцами и держать мелкие и плоские предметы.

При всех видимых преимуществах эти и другие аналогичные протезы имеют два очень весомых недостатка. Во-первых, установка 80 % из них предполагает хирургическое вмешательство, и сразу возникает вопрос о «приживаемости» такого протеза.

«В существующих протезах рук, как правило, используются готовые сервоприводы – небольшие моторчики с редуктором и системой управления, которым можно задавать угол поворота той или иной части протеза, – пояснил Андрей Алейников. – Чтобы человек мог управлять таким протезом, требуется хирургически вывести сохранившийся двигательный нерв на оставшуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв может передавать двигательный сигнал датчику, установленному на протезе».

Второй и, пожалуй, главный недостаток – слишком высокая стоимость изделия: цена может варьироваться от 500 тыс. рублей и достигать 2,5 млн рублей (максимальная комплектация протеза Michelangelo).

Что касается отечественного опыта, то изготовлением бионических протезов в России занимается компания «Моторика», но сегодняшние модели существенно уступают западным аналогам по функциональным возможностям и характеристикам.

Перед белгородскими учеными стояла задача – с нуля создать устройство без привлечения сторонних специалистов, используя при этом имеющееся в их распоряжении оборудование. Проект получился смежным: разработки ведутся на стыке электроники, программирования, механики и медицины.

Как пояснил Андрей Гладышев, разрабатываемый протез сможет использоваться без хирургического вмешательства. Человеко-машинный интерфейс позволит тактильно определять силу действия предмета на протез, каждым пальцем можно будет управлять в отдельности, а благодаря применению аддитивных технологий каждый клиент сможет получить уникальный протез с учетом его индивидуальных особенностей.

Как работает протез

Для создания основы бионического протеза были использованы аддитивные технологии. Элементы изделия разработаны с помощью программы 3D-моделирования и распечатаны на 3D-принтере из ABS-пластика. Кроме того, для их создания может быть использован и фотополимер. Такая печать стоит дороже, но при этом качество и прочность полученных составляющих на порядок выше. Затем на элементах протеза были закреплены сервопроводы, установлены определенные механические элементы, которые позволяют пальцам двигаться. Электронная начинка – микроконтроллерная система управления. К ней присоединены ЭМГ-датчики, позволяющие регистрировать поступающие от мышц биопотенциалы.

«Это изделие – прототип. Его еще нельзя выпускать на рынок. Это та модель, макет, который используется нами для отладки новых решений, которая позволит расширить функциональные возможности, улучшить технические характеристики, эргономику и апробировать новые решения и подходы», – отметил Андрей Алейников.

По мнению ученого, одна из главных проблем современных разработчиков – попытка создать протез на основе уже готовых комплектующих – этих самых сервоприводов. Да, они универсальны и могут применяться везде, но под конкретную разработку они не адаптированы, а, следовательно, существенно сужают потенциальные возможности изделия.

Белгородские ученые решили пойти дальше и создать собственный привод и анализатор мышечной активности. В совокупности это позволит не только улучшить двигательные качества элементов протеза, но и усовершенствовать сам человеко-машинный интерфейс, а также значительно облегчить управление им.

Свою работу они собираются представить на II Всероссийском научном форуме «Наука будущего – наука молодых», который пройдет 20-23 сентября в Казани. Причем в рамках конференции они покажут модель, работа которой осуществляется с помощью ЭМГ-датчиков, а в рамках проекта «Умник», который будет проходить там же, предложат идеи по усовершенствованию.

Благодаря методу, который сейчас прорабатывается, в будущем человек посредством протеза сможет не просто сжимать и разжимать кисть, а шевелить каждым пальцем в отдельности. Но одно дело работа протеза, а другое – тактильные ощущения.

«Мы тестируем одну идею, предполагающую применение виброустройств, которые могут позволить преобразовать силу сжатия, выполняемого протезом, в реальные ощущения. Другими словами, человек будет понимать, насколько сильно он сжимает тот или иной предмет, и регулировать свои действия», – рассказал куратор.

В промышленных масштабах

Конечно, технология 3D-печати рассчитана не на массовое производство и даже не на крупную серию. Время печати достаточно продолжительное: например, создание элементов для одного протеза будет занимать несколько дней. Но в то же время рентабельность такого производства высока. Так, создание форм для изготовления элементов протеза в промышленных масштабах стоит достаточно дорого. При этом каждый человек имеет индивидуальные особенности: рука взрослого и ребенка в разном возрасте существенно отличаются по размеру, кому-то нужен протез только кисти, кто-то потерял часть руки выше запястья… Получается слишком много вариантов, которые в рамках крупносерийного производства полностью учесть невозможно. Печать на 3D-принтере скорректировать под заданные параметры очень легко: просто загружаешь параметры нужной модели, и принтер создает индивидуальный протез за пару дней.

Если говорить о серийном производстве таких изделий, то ускорить процесс их создания поможет промышленное оборудование: на нем могут создаваться формы для литья элементов протеза. А вот электронные узлы, проектированием которых сейчас занимаются белгородские ученые, будут для таких протезов универсальными, и заказать изготовление их партии не составит труда. В России есть специализированные фирмы, занимающиеся контрактным производством.

Конечную стоимость изделия прогнозировать пока очень рано, но в любом случае цена будет измеряться в рублях, а не в евро или фунтах стерлингах, и позволить себе такой протез сможет гораздо большее количество людей с ограниченными возможностями.

Срок службы

Сколько сможет служить такой протез? Все зависит от условий эксплуатации и применяемых материалов. И если для подвижных элементов конструкции срок службы несколько лет, то для электронной начинки он может составлять чуть ли не четверть века. В этом плане надежда возлагается на университетские материаловедческие школы, работающие под руководством известных ученых.

Самыми уязвимыми в любом изделии являются движущиеся узлы. В новой разработке предусматривается возможность их замены в действующем протезе. И, конечно, не забываем о роли самого человека: насколько бережно он пользуется протезом.

Кроме того, разработчики планируют регулярно обновлять программное обеспечение работы такого изделия. Здесь будет действовать тот же принцип, что и с современными смартфонами, когда для обновления операционной системы достаточно зайти на портал разработчика и загрузить оттуда в свой гаджет новую версию.

Фото: Андрей Гладышев, Андрей Алейников