В статье автор описывает краткую историю протезирования, а также современные подходы к протезированию на основе бионики: устройство, работу и область применения бионических протезов
Ключевые слова: протезирование, бионика, бионические протезы.
В современном неспокойном мире, насыщенном травмами, войнами, конфликтами особую актуальность приобретает замена утраченных частей тела искусственными заменителями — протезами. Травматизм был и остался актуальной социальной проблемой в современном мире. Это не только связано с ростом травм среди населения, но и с увеличением количества смертельных исходов после получения травм, а также инвалидизации населения в результате травм. В настоящее время около 15 % людей на планете имеют дисфункциональные нарушения различных структур организма, что отражается на физической активности, профессиональной и социальной деятельности человека и снижает качество жизни [3, с. 122].
Протезирование развивалось со времен античности, но долгое время протезы представляли собой довольно-таки простые деревянные конструкции, тем не менее позволяющие человеку обеспечивать свое существование. Известны деревянные протезы ног, рук, иногда можно увидеть протезы косметические руки, полностью напоминающие кисть. Первые протопротезы возрастом более 3000 лет — деревянные пальцы, которые использовались для предотвращения мозолей от сандалий, были найдены на археологических раскопках в Египте. Известны античные упоминания о первых деревянных протезах конечностей, установка их облегчала человеку передвижение [2].
В средне века, и даже в Новое время, при отсутствии асептической обработки ран, лучшим лекарством от начала и распространения гангрены считали ампутацию конечности. Для замещения утраченных конечностей использовались протезы — крюки, деревянные протезы, а для знати — косметические протезы, например в виде кисти, сжимающейся в кулак, что позволяло даже держать оружие. И, несмотря на то, что в Европе 17–18 века инженерная мысль шагнула вперед, протезы долго еще оставались примитивными. В 19-м — начале 20 века протезирование начинает развиваться, появляются тяговые протезы, рычажные протезы [2]. Для обеспечения подвижности протеза использовались гибкие тросики и жесткие тяги, увеличивалось количество подвижных частей, использовались крепления для дополнительных насадок на протез, позволяющих выполнять мелкие работы (держать перо для письма, ложку и вилку, инструмент для мелких работ). В 20 веке был существенно усовершенствованы тяговые протезы, стали использоваться новые материалы: резина, облегченные сплавы, пластмассы и полимеры и т. д., которые позволили сделать косметические протезы похожими на живые человеческие конечности, что привело к улучшению условий жизни и быстрой социализации инвалидов.
В настоящее время, в связи с развитием кибернетики, нанотехнологий, появлением современных материалов и методов изготовления деталей у человечества появилась возможность создавать протезы, практически полностью моделирующие работу утраченных конечностей. Такие протезы получили название бионических. Бионические протезы представляют собой искусственные роботизированные модели утерянных рук или ног, функционально приближенные к обычным действиям собственных рук и ног человека. При помощи бионических протезов можно совершать различные повседневные действия, которые невозможно было бы сделать при использовании любых других протезов. В чем же суть работы бионических протезов?
Бионика — наука, изучающая возможность соединения мира живой материи и техники. Одним из следствий бионики стало появление современных электронных протезов, которые могут взаимодействовать с нервными клетками человека. Работает бионический протез следующим образом: на подготовленную культю устанавливается специальная гильза, которая изготавливается индивидуально для каждого пациента. Гильза имеет DLC- покрытие (Diamond-Like Carbon — алмазоподобное покрытие), обеспечивающее максимальную биосовместимость с тканями человека. DLC-покрытия обладают рядом характеристики, присущих алмазу: химическая инертность и биологическая совместимость и т. д. Основой DLC-покрытия является аморфная структура из случайных чередований гранецентрированного куба и гексагональной решетки. DLC-покрытия не имеют кристаллической геометрии, которая встречается в природе, что не создает плоскостей разрушения материала и позволяет получить очень твердый материал [1].
В гильзе размещаются специальные датчики — датчики мышечной активности (мио-датчики), соединенные электродами с мышцами конечности и улавливающими мышечные импульсы. Мио-датчики передают считываемый сигнал в микропроцессор, в котором полученная от датчиков информация обрабатывается при помощи компьютерных алгоритмов. В результате обработки информации микропроцессор за сотые доли секунды формирует управляющий сигнал и направляет его в серводвигатели, которые и приводят в движение активные части протеза [2]. В настоящее время движения активных частей являются не самыми сложными, но подобно эффектору робота, протез может обеспечивать два основных действия: «хват» и «щуп». Такое действие, как «хват» позволяет выполнять тяжелые работы и работы с крупными объектами (переместить стул, поднять тяжелую сумку). Такое действие, как «щуп» позволяем выполнять мелкие работы (завязать шнурки, застегнуть молнию).
Ряд российских и мировых производителей (холдинг Швабе, НПО Квант, холдинг Технодинамика, холдинг Технобионика) существенно расширяют возможности бионических протезов, используя сменные насадки или встраивая в них гаджеты, датчики, устройства оплаты, фонари. Можно полагать, что уже скоро функционал бионических протезов превысит функционал природных органов тела, что откроет совершенно новые перспективы их применения. В настоящее время используется около 10–20 % возможностей бионических протезов, поскольку техническая система доставки информации от протеза к мозгу и обратно является весьма несовершенной. Чтобы использовать все возможности биопротезирования необходимо найти способ передачи в мозг пациента осязательных ощущений бионического протеза, для чего нужно будет связать два пути передачи и обработки информации — от желания совершить движение до стимуляции соответствующего участка коры головного мозга, воспроизводящей осязательные ощущения. Иначе говоря, сделать так, чтобы бионический протез отдергивался от горячей поверхности автоматически.
Таким образом, в настоящее время идет активное развитие технологий и роботизации производств, но уровень травматизма не изменяется Создаваемые бионические протезы обеспечивают свободу движений, которую нельзя получить при применении протезов других видов, позволяют значительно улучшить качество жизни человека, перенесшего ампутацию. Современные технологии биопротезирования позволяют воссоздавать утраченные конечности частично или полностью. Можно создавать искусственные пальцы, кисть, локтевую часть, коленные шарниры, тазобедренные шарниры и плечевые шарниры.
Литература:
- Боровиков, С. М. Свойства и применение DLC-покрытий / С. М. Боровиков, Р. В. Пигаль, О. И. Терещук. // Молодой ученый, 2021. № 6 (348). С. 6–9.
- Бионические протезы: как стать киборгом. Режим доступа: https://future2day.ru/bionicheskie-protezy/.
- Москвитин С. К., Тюхтихов М. В., Алексеев А. А., Коренев Л. Е. Протезирование верхних конечностей тела // Современные технологии: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей XVIII Международной научно-практической конференции (Пенза, 25 июня 2018 г.). Пенза, 2018. С. 121–124.
