Бионика – наука, которая решит проблему утраченных конечностей

В будущем люди, потерявшие руки или ноги, больше не будут чувствовать себя неполноценными.

Весной нынешнего года 62-летний Крег Пол покорил Эверест. Еще пару лет назад мужчину серьезно беспокоил артрит, он едва передвигался. «Я желаю продемонстрировать всем, кто ставит под сомнение свои возможности или ощущает себя стариком, что если у вас есть воля, то придет и победа. Покорение Эвереста стало для меня великим путешествием», – написал Пол в своем онлайн-дневнике. Чтобы стать альпинистом, Крегу пришлось пройти через несколько тяжелых операций и поставить два искусственных коленных сустава.

Эксперты полагают, что к 2022 году объем рынка протезов и имплантов бедер и колен достигнет показателя в 33 млрд долларов. Поэтому есть смысл более внимательно к нему присмотреться.

Бионика – наука будущего

В бионике сочетаются биология и техника. Эта наука исследует нервную систему и нервные клетки, а также занимается изучением рецепторов с целью создания инновационных приборов. Одним из ключевых направлений бионики является создание современных имплантов и протезов.

Технологические устройства ставят вместо потерянных конечностей, при этом они отлично взаимодействуют с нервными клетками. Хотя изготавливают протезы из искусственных материалов, пациент может контролировать их посредством нервной системы благодаря методу целевой мышечной реиннервации. Он заключается в том, что нервы, которые когда-то отвечали, к примеру, за ампутированную ногу, соединяют с неповрежденными мышечными тканями, которые передают сигналы на электронные датчики протеза.

После удаления конечности в человеческом теле остаются двигательные нервы. Врачи соединяют их с участками крупных мышц – к примеру, грудной, если говорить об ампутированной руке. Когда пациент хочет пошевелить пальцами, мозг отправляет сигнал грудной мышце. Его принимают электроды, которые передают по проводам импульс в процессор, расположенный внутри искусственной конечности. После этого импульс попадает к нужному участку и протез совершает задуманное движение.

Чтобы искусственная конечность могла чувствовать прикосновения, давление и тепло, врачи соединяют живой чувствительный нерв с участком на коже груди. Данный метод получил название целевая сенсорная реиннервация. Расположенные на протезе сенсоры отправляют этому участку кожи сигнал, а затем он передается в мозг, после чего человек, к примеру, может убрать руку, если ощутит высокую температуру. На данный момент компании занимаются внедрением бионических протезов. Три года назад была создана первая бионическая нога, которая находилась под управлением мозга.

Инновационное колено

Проектами по созданию искусственного колена начали заниматься еще в 1990-х годах. Например, компания Blatchford наладила производство микропроцессора для управления протезом коленного сустава. Он появился в 1993 году, получив название Intelligent Prosthesis. В 1997 году компания из Германии Otto Bock презентовала микропроцессор бионического колена C-leg. В 2005 году компания из Исландии Ossur создала электронный коленный модуль Rheo Knee. Через год эта же компания представила протез с двигателем Power Knee, за который нужно было заплатить 60–80 тыс. долларов.

Согласно статистике, 52,5 млн жителей США испытывают проблемы с суставами. За последние годы число операций, связанных с заменой колен, среди людей в возрасте от 45 до 64 лет выросло в три раза. Однако 20% пациентов высказывают недовольство результатами операции.

Люди сетуют на несносную боль и ощущение неудобства. Производители протезов пытаются усовершенствовать технологии и предложить протезы, которые почти не будут отличаться от настоящего колена по ощущениям.

Компания из Канады ConforMIS начала создавать колени с помощью 3D-печати. Имплант, созданный благодаря этой технологии, стоит примерно 4 тыс. долларов. Компания разработала платформу iFit Image-to-Implant, позволяющую подобрать для каждого пациента индивидуальный имплант и установить его за 70 минут. Теперь ConforMIS пытается выработать персональный подход ко всем частям тела, которые с возрастом становятся проблемными (лодыжки, плечи, бедра).

Конечности будущего

Четыре года назад американец Зак Воутер потерял ногу после аварии. Ему поставили бионический протез, и уже через некоторое время он поднялся по лестнице на смотровую площадку небоскреба в Чикаго.

«Когда Зак желает двигаться, мозг отправляет по спинному мозгу импульс к живой мышце. В протезе находятся электроды, которые управляют этими импульсами. Специально созданная компьютерная программа анализирует данные и пересылает их протезу для выполнения действия, будь то прием сидячего положения, сгибание лодыжки или манипуляции с коленом», – говорит профессор Леви Харгрув из Чикагского университета.

Мини-компьютер в протезе анализировал данные 11 электродов, расположенных на бедре Зака. Нога пациента получала импульс от нервных волокон, которые во время операции были присоединены к подколенному сухожилию Воутера. Именно они могли отправлять импульсы в нижнюю часть ноги Зака.

Создание инновационных протезов пользуется поддержкой многих силовых структур, поскольку им предстоит адаптировать к нормальной жизни людей, пострадавших во время боевых действий. В 2013 году эксперты Реабилитационного института Чикаго разработали протез ноги, который полностью контролировался мозгом. Министерство обороны США выделило на проект 8 млн долларов, а в ближайшие пять лет протез можно будет протестировать совершенно бесплатно. Кстати, чтобы сделать это, не нужно терять конечность. В 2013 году писатель и актер Брент Роуз ходил с искусственной ногой, чтобы написать репортаж для сайта Gizmodo. Он был в восторге от изобретения.

Разработчики протеза желают, чтобы его стоимость не превышала 20 тыс. долларов. В нынешнем году исследователи Университета Джона Хопкинса презентовали протез руки, пальцы которого находятся под управлением мозга. Эту разработку активно поддерживало агентство DARPA Министерства обороны США.

Компания Spring Loaded Technology из Канады разработала бионический бандаж для колена Levitation. Она подписала с Министерством обороны страны контракт на 1 млн долларов на обеспечение армии гидравлическими наколенниками. Разработку будут применять солдаты в ходе испытаний в боевых условиях.

Затем проект получил еще 1,9 млн долларов от венчурного фонда Build Ventures. Компания планирует поставить производство бандажа на конвейер. Он станет доступным спортсменам и поклонникам активного образа жизни, которые смогут уберечь свои колени от неприятностей. В первый день кампании по сбору средств на Indiegogo Spring Loaded Technology получила больше 50% от необходимых 75 тыс. долларов. Предзаказ бионического наколенника стоит 1 200 долларов, но в будущем его можно будет купить только за 2 500 долларов.

Бандаж из Канады можно отнести к экзоскелетам – устройствам, которые помогают восстановить утраченные способности, расширить амплитуду движений и увеличить силу мышц. Сайт SnapMunk пишет: «Экзоскелеты совершили переход из сферы научной фантастики в область реальных технологий в военной и промышленной индустрии. Они могут помочь тем, кто страдает от параплегии, мышечных расстройств или имеет проблемы с двигательным аппаратом в повседневной жизни».

Сейчас самым мощным выглядит экзоскелет Phoenix от компании SuitX. Его стоимость будет составлять около 40 тыс. долларов, тогда как главная альтернатива в лице ReWalk обойдется в 77 тыс. долларов.

Вес Phoenix – всего 27 фунтов, что делает его одним из самых легких экзоскелетов. Параметры функционирования протеза можно задать с помощью приложения для Android.

Эксперты ожидают, что к 2021 году объем рынка роботов, предназначенных для реабилитации (включая экзоскелеты), увеличится до 1,1 млрд долларов.

Перспективы отрасли

В ходе конференции Code Conference 2016 бизнесмен Илон Маск сказал: «Людям нужно придумать компьютеры, которые будут взаимодействовать с корой головного мозга. Иначе мы так отстанем от роботов в плане развития интеллекта, что будем для них домашними питомцами. Они начнут относится к нам так, как мы сейчас относимся к кошкам».

Кроме разработок имплантов и протезов, компании биотехнической отрасли экспериментируют с 3D-печатью органов. Им уже удалось создать на 3D-принтере сердечные и сосудистые ткани из стволовых клеток. В прошлом году компания 3D Bioprinting Solutions напечатала щитовидную железу мыши и провела с ней удачную операцию.

Человеческие 3D-органы начали активно использовать для планирования сложных операций. Например, пару месяцев назад в Китае хирурги спасли жизнь 9-месячнего малыша с помощью предварительно распечатанной модели сердца. Компания Organovo из США печатает ткани печени, которые служат образцами для тестирования новых лекарств.

Скептики говорят, что нельзя напечатать полноценные органы из-за их усложненной структуры. Однако реставрация щитовидной железы, которая имеет относительно простое строение, уже сейчас выглядит довольно реалистично. Впрочем, перед этим нужно еще решить, как сократить все существующие риски.

В начале лета компания Techshot, которая на протяжении многих лет сотрудничает в сфере биотехнологий с NASA, заявила, что к 2024 году сможет напечатать сердце со стволовыми клетками. В конце прошлого года компания придумала метод генерации кровеносных сосудов из стволовых клеток пациентов. Techshot надеется, что это достижение поможет дальнейшему развитию бионики.

Ребят, мы сделали эту статью вместе с нашими друзьями — каналом Tech Mind.

Там рассказывают о технологиях. Канал достойный, так что следует подписаться.

Tech Mind — @techmind