[Прелесть робототехники] Как робототехника решает проблемы людей с инвалидностью?

Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть робототехники":
  Такая разная робототехника
  Начало футуристического будущего: как создаются роботы
  Олимпиада по робототехнике: вдоль и поперек
  У роботов нет времени нас убивать
  Очумелые ручки (robotics edition!)

Пробовали ли вы забить гвоздь молотком или собрать башенку из стаканов? Вышагивали ли вы по бордюру, удерживая равновесие, или же поднимали небольшой  ящик по лестнице? Все эти задачи кажутся простыми, но так ли легко их выполнить с искусственным протезом? Для ответа на этот вопрос достаточно посмотреть на CYBATHLON – соревнования, где люди с инвалидностью, используя современные технологии, выполняют задачи, которые раньше давались им тяжело, а также тестируют используемые технологии, вдохновляя многих разработчиков совершенствовать свою продукцию. Однако соревнования кибатлетов не ограничиваются полосами препятствий: сегодня с помощью нейрокомпьютерного интерфейса они и соревнуются в компьютерных играх, и даже спускаются по ступенькам, сидя в инвалидной коляске. Именно о науке и технологиях, меняющих жизнь людей с инвалидностью, мы расскажем в этой завершающей статье цикла "Прелесть робототехники".

Биомехатроника

Необходимость в создании протезов, электростимуляторов и нейрокомпьютерных интерфейсов подтолкнула людей открыть для себя область знаний, объединившую медицину и робототехнику, – биомехатронику. Биомехатроника (бионика) – это прикладная наука, изучающая взаимодействие биологических организмов и мехатронных систем, которые состоят из множества механических, процессорных, электронных и электротехнических компонентов; часто под биомехатронными системами подразумевают киберпротезы.
Благодаря киберпротезам, помимо восстановления функции рук, ног, пальцев, бионика позволяет внедрить умные механизмы в работу сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека. Таким образом, наука на рубеже биологии и механики научила нас создавать не только роботов-гуманоидов, но и искусственные органы для трансплантации, и бионические протезы для людей с инвалидностью.

Одним из примеров бионических конечностей является протез руки BeBionic, который был представлен на международном рынке британской компанией RSL Steeper в \(2010\) году. В то время искусственная рука для взрослого человека имела всего четыре функциональных захвата, но она уже позволяла есть, пить, печатать, поворачивать ключ в замке, пользоваться банкоматом и держать мелкие предметы.

Сегодня же функциональность бионических протезов возросла в разы. К примеру, Samsung Electronics в партнерстве с Motorica интегрировали носимое устройство Galaxy Watch в бионические протезы рук вроде INDY, MANIFESTO и тяговый CYBI. Таким образом, каждый протез можно подключить к серверам компании – цифровой экосистеме для кибер-людей от Motorica, где люди могут заниматься коммерческим делом, разрабатывать инновации или делиться своими общими интересами. Фирменное приложение позволяет задавать на бионическом устройстве жесты, отправлять данные телеметрии и менять чувствительность датчиков.

Пока компании, как RSL Steeper и Motorica, работают над усовершенствованием бионических рук, профессор биофизики и инженер из Массачусетского Института Технологий (MIT) Хью Герр изобретает самые совершенные бионические протезы ног.

С самого детства профессор увлекался спортивным скалолазанием, но в \(1982\) году с ним произошел несчастный случай во время зимних соревнований. В возрасте \(17\) лет молодой альпинист застрял на \(3\) дня в горах, в результате чего обморозил конечности. Обе ноги пришлось ампутировать ниже коленей, а с любимым делом пришлось распрощаться. Только от этого желание заниматься скалолазанием не пропало. И года не прошло, как Хью Герр начал старательно разрабатывать протезы, чтобы снова забраться в горы. С мыслью восстановить функциональность ног молодой ученый начал конструировать протезы у себя в мастерской. Затем, став профессором в MIT, он улучшил свою разработку и возглавил группу биомехатроники Media Lab при университете. Основной вектор их исследований – моделирование совершенных протезов. На счету известного робототехника около \(60\) написанных работ на тему биомехатроники и не менее \(10\) различных патентов, одним из которых является первый в мире автономный экзоскелет голеностопного сустава, разработанный в \(2014\) году. В этом же году Хью Герр выступил на TEDx, где продемонстрировал свои протезы и разработки по их улучшению. Профессор в прямом смысле слова собрал себя сам! Во время лекции он также пояснил, что скоро люди обретут новые тела, которые навсегда сотрут границу между естественным и механическим миром.

3D-печатные протезы

С чего можно начать создавать протезы, как это делал профессор Хью Герр? Определенно стоит начать с изучения \(3\)D-моделирования и \(3\)D-печати.

Время, когда протезы представляли собой громоздкие металлические корпуса со сложными компонентами, постепенно остается позади – большинство сегодняшних протезов устроены по-новому. С появлением технологии \(3\)D-печати многие детали для протезов стали создавать на основе \(3\)D-моделирования, что значительно поспособствовало облегчению жизни людей с инвалидностью.

В чем же заключаются основные преимущества \(3\)D-печатного протеза?

• В первую очередь, одно из главных преимуществ – стоимость. Такой протез намного дешевле, чем протез с металлическим корпусом. На сегодняшний день цена протеза, разработанного по обычной технологии (из металла), составляет от \(1000000\) до \(17000000\) тенге, в то время как цена протезов, напечатанных на \(3\)D-принтере, колеблется от \(28000\) до \(84000\) тенге.
• Скорость изготовления – второй немаловажный фактор, почему \(3\)D-печатные протезы превосходят обычные. Производство протеза по нынешней технологии занимает несколько недель или даже месяцев, так как необходимо произвести индивидуальную калибровку и подгонку для каждого человека. Создание же протеза на \(3\)D-принтере может занять от одного дня до недели.
• Универсальность – еще одно преимущество технологии \(3\)D-протезирования. Конструкция, изготовленная на \(3\)D-принтере, может быть легко смоделирована и приспособлена под индивидуальные особенности каждого человека. Кроме того, такие протезы могут быть дизайнерскими, усиленными, цветными, с рисунком и надписью – вариантов множество.
• Нельзя не упомянуть и комфорт. Все протезы во время моделирования можно подогнать под каждого человека, а в случае неудобств  – заменить их.

Более того \(3\)D-принтер может не только распечатать протезы, но и детали экзоскелетов, в которых, например, могут быть заинтересованы фанаты Железного человека после просмотра фильмов про супергероев.

Экзоскелеты

Если в мире фантастики экзоскелеты используются с целью повышения физических способностей человека, то в реальном мире такое новшество применяется для реабилитации после тяжелой болезни: чаще всего в этом нуждаются люди, перенесшие инсульт или имеющие повреждение спинного мозга.

С целью восстановления утраченных функций организма разработчики REX Bionics вывели на рынок экзоскелет REX для людей с дисфункцией ног. Экзоскелет помогает ходить, вставать и садиться, подниматься по лестнице, двигаться назад и даже делать “лунную походку”. Пользователь же управляет им с контрольной панели и джойстика. REX может также устранить ряд осложнений, связанных с долгим пребыванием в инвалидном кресле.

В целом, принцип действия активных экзоскелетов (экзоскелеты, которые выполняют движения, не требуя от пользователя приложения энергии) для людей с инвалидностью общий у всех производителей. Бедренные и коленные суставы сгибаются и разгибаются двумя электродвигателями, закрепленными на каждой ноге. Устройство выдерживает вес пользователя, которому, вероятно, дополнительно потребуются костыли для сохранения равновесия. На пульте управления, как на джойстике экзоскелета REX, расположены кнопки для активации шагов и установки темпа: быстрая ходьба, медленная ходьба, подъем по ступенькам, остановка и многие другие опции. Тем самым экзоскелет поддерживает движения человека, что и помогает людям восстановить ослабленную связь между головным мозгом и рабочей мышцей, постепенно возвращая нормальное функционирование конечностей.

Искусственные органы

Хоть с каждым днем робототехника вступает в жизнь большего числа людей, помогая им встать на ноги, но на этом прелести союза робототехники и медицины не заканчиваются – именно робототехника применяется в создании искусственных органов.

В кардиологии активно применяют механические или биологические протезы для замены сердечных клапанов. Если пострадала электрическая функция сердца или способность генерировать импульсы для сокращения мышцы, пациенту имплантируют небольшие аппараты – пейсмейкеры или кардиостимуляторы, задающие нужный электрический ритм в работе сердца. Устройство пришивают к грудной мышце и присоединяют его проводами к сердечной.

Главнейшим изобретением по разработке искусственных органов стало искусственное сердце компании CARMAT, созданное в \(2013\) году. Французским кардиохирургам и биоинженерам даже удалось пересадить это автономное искусственное сердце нескольким добровольцам. Сам аппарат состоит из двух желудочков и двух насосов, создающих давление внутри полостей и выталкивающих кровь. Насосы контролируются микропроцессором и датчиками, которые похожи на нервные клетки живого сердца, реагирующие на артериальное давление и скорость кровотока. Недостаток  искусственного сердца состоит в том, что аппарат нуждается во внешнем блоке питания, помещающимся в небольшую сумочку и работающем после полной подзарядки в течение \(12\) часов.
Но даже так автономное искусственное сердце – настоящее чудо робототехники в мире биологии!

Нейрокомпьютерные интерфейсы

Параллельно с созданием искусственных органов ученые разрабатывают и нейрокомпьютерные интерфейсы. Нейроинтерфейсы – это фантастическая технология, которая помогает управлять устройствами с помощью импульсов мозга, что дает отличную возможность людям с инвалидностью, особенно парализованным людям, управлять инвалидной коляской, смартфоном, компьютером, умным домом и многим другим.

Недавно компания Neuralink, основанная Илоном Маском, представила чип, соединяющийся с корой головного мозга с помощью наноэлектродов. Такой чип считывает сигналы нервных клеток и передает их по Bluetooth на, скажем, смартфон, чем позволяет человеку управлять своим гаджетом. Основой системы чипа являются специальные “нити” толщиной от \(4\) до \(6\) микрон, которые встраиваются в головной мозг с помощью специальной иглы с использованием нейросетей и компьютерного зрения, чтобы снизить риск задевания сосудов. Президент компании надеется, что, используя именно этот чип, люди с инвалидностью смогут «печатать» до сорока слов в минуту на своем смартфоне или компьютере, просто думая о словах. Таким технологиям остается недалеко до полноценного управления не только смартфонами, но и протезами, с помощью обычной силы мысли.

Заключение

Можно с уверенностью сказать, что интеграция медицины и робототехники во всех смыслах стирает границы между людьми с инвалидностью и физически здоровыми людьми, делая мир вокруг нас по-новому инклюзивным. Ведь именно робототехника в тесной связи с медициной трансформирует жизнь людей с инвалидностью, будучи основой для разработки киберпротезов, экзоскелетов, искусственных органов, нейрокомпьютерных интерфейсов и многого другого. По этой же причине уже сегодня к биомехатронике приковано особое внимание специалистов и ведущих IT-компаний, а инженеры-робототехники находят свое призвание в этой области, улучшая жизни других людей.

Итак, этой статьей об инклюзивной робототехнике мы завершаем цикл “Прелесть робототехники”. Мы рассказали о безграничных возможностях, которые нам предоставляет робототехника, стадиях разработки роботов от задумки до проектирования, олимпиадах по робототехнике. Мы показали, как сделать простого, но полезного робота, чтобы вы, наш дорогой читатель, поняли, как широка и многогранна робототехника.

Мы затронули лишь малую часть огромного мира тайн прекрасной робототехники, надеясь, что вы сами распахнете дверь в такую юную, но ошеломляющую по своей красоте науку!

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова