Чудеса биомеханики: лучшие разработки для армии и здоровья

Исландская компания Ossur представила на днях бионический протез ноги, управляемый человеческим мозгом. В основе технологии - специальные имплантируемые сенсоры, которые посылают беспроводные сигналы во встроенный в искусственную конечность микрокомпьютер. Это позволяет управлять протезом практически на уровне подсознания, обеспечивая мгновенную реакцию и соответствующие движения.

Протезы, управляемые мышечными импульсами, появились еще в конце 60-х, однако технология до сих пор имеет ряд ограничений. В частности, сенсоры улавливают электрические импульсы не одной отдельной мышцы, а всех сразу, что приводит к разбалансированным, медленным движениям.

Компании Ossur удалось создать более точные сенсоры IMES, которые имплантируются в оставшиеся мышцы в культе. В протезе имеется специальный ресивер, принимающий передаваемые на сенсор мышцами импульсы и посылающий их на микрокомпьютер протеза.

Вся система искусственной конечности действует как единый кибернетический имплантат, сигналы на который подаются спинным мозгом. В результате человеку для управления искусственной конечностью не требуется осознанно выполнять те или иные действия: протез управляется практически на подсознательном уровне. Неосознанные рефлексы автоматически трансформируются в импульсы, которые и контролируют бионическую конечность. Управляемые мыслью бионические ноги являются настоящим прорывом в новое поколение протезов, которые станут единым целым с их владельцами.

Управляемые силой мысли протезы, но только для рук, разработала объединенная группа исследователей из Калифорнийского технологического института, Медицинской школы Кека при университете Южной Калифорнии и Национального реабилитационного центра Ранчо Лос Амигос. Они создали управляемый силой мысли протез, который исполняет команды мозга значительно быстрее, чем это делали его предшественники, и двигается настолько плавно, как настоящая рука.

Ученые имплантировали пару электродных массивов размером 4x4 миллиметра в заднюю теменную кору парализованного пациента. В отличие от моторной (двигательной) коры, которая отвечает непосредственно за любого рода движения, нейроны задней теменной коры контролируют намерение двигаться. Таким образом биоинженеры предугадали желание пациента пошевелить новой искусственной рукой и ускорили ее реакцию на сигналы мозга.

Массивы электродов размещают в двух зонах задней теменной коры пациента, одна из которых контролирует намерение тянуться рукой до какого-либо предмета, а другая отвечает за хватательные движения. В каждом из массивов находятся электроды, считывающие сигналы нейронов мозга. От электродов проведены провода к компьютеру, который декодирует нейронные сигналы и передает команды роборуке.

Пациент, которому вживили имплантаты в мозг в рамках эксперимента, со временем освоил управление роборукой и теперь способен пожимать при встрече руки, держать напитки, сгибать и разгибать пальцы.

Высшем пилотажем современнной биомеханики являются протезы, способные передавать тактильные ощущения. Такую инновацию создали специалисты из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETHZ). Для создания тактильного протеза руки Lifehand 2 они использовали новое имплантированное устройство, которое обеспечивает обратную связь с нервами в руке человека. В ходе клинических испытаний имплантат находился в руке пациента более месяца, позволяя ему ощущать прикосновения и различные степени давления при взаимодействии с объектами. Таким образом, исследователям удалось создать протез, который может не только получать сигналы от мозга, но и передавать ему тактильные ощущения.

Для того чтобы обеспечить обратную связь между протезом и оставшимися в руке пациента нервами, исследователи вживили в локтевой и срединный пучки нервов специальные электроды. Значение прилагаемой кончиками пальцев киберруки силы, где содержались специальные сенсоры, трансформировалось в электрические сигналы, которые поступали на имплантированные электроды. Последние напрямую взаимодействовали с нервной системой пациента, который смог различать форму различных объектов, распознавать твердые и мягкие предметы, а также материал, из которого они изготовлены.

Особая сфера биомеханики - экзоскелеты, которые разрабатывают не только в помощь парализованным людям, но и для военных целей. Так, китайские ученые из госпиталя Нанкинского военного округа создали опытный образец экзоскелета для армии. Благодаря технологии, неподготовленный человек может легко переносить на несколько десятков метров 35-килограммовый ящик с боеприпасами, без труда преодолевая ряд препятствий.

При проектировании экзоскелета использовались принципы бионики, это позволило добиться высокой степени интеграции между системой управления модулями костюма и человеком. Основные части тела солдата при помощи чувствительных датчиков подключены к центру управления модулями экзоскелета, что позволяет механике костюма быстро повторять движения человека. Сейчас разработчики совершенствуют железную экипировку, делая ее более легкой и "быстрой". В дальнейшем планируется на базе экзоскелета выпустить унифицированную боевую экипировку с интегрированной системой боевого управления, защиты и связи.

Аналогичные костюмы разрабатывает и Пентагон. Экзоскелеты, обеспечивающие суперсилу и защищающие от осколков бомб и пуль, давно привлекали американских военных и подобные разработки велись еще с начала 60-х. Но до недавнего времени для воплощения идеи не было необходимых электронных технологий и материалов.

Новаторскую систему с сенсорами, удалось разработать компании Sarcos. Устройство воспринимает сокращения человеческих мускулов и переводит их при помощи электрических сигналов в движения роботизированного аппарата. Далее работу по созданию костюма продолжила поглотившая Sarcos корпорация Raytheon.

А недавно компания SOCOM (US Special Operations Command) начала разработку военного экзоскелета TALOS

(Tactical Assault Light Operator Suit).

Элементами экзоскелета являются: носимая вычислительная система, коммуникационные устройства, медицинский модуль и вспомогательные системы. Есть также присоединяемый модуль, наружный экзоскелет, который создает дополнительный защитный слой. С помощью нанотехнологий разработано особое пуленепробиваемое покрытие. Экзоскелет также включает присоединяемые гидравлические руки и ноги, усиливающие любые движения, повышая скорость передвижения и общую мобильность. Кроме усиления физических возможностей, высокотехнологичный костюм улучшит визуальные восприятия солдат, предоставив картину боя в реальном времени. Этого удалось достичь благодаря подключаемому модулю Q-Warrioir.

В проекте TALOS, совместно с SOCOM, участвуют 56 корпораций, 16 государственных агентств США, 13 университетов и 10 лабораторий. Так что Пентагон скоро получит целую армию суперсолдат, которые будут передвигаться со скоростью машин, таскать грузы и совершать головокружительные прыжки.