На пути к искусственным конечностям

Совершил в восьмилетнем возрасте. В 17-ть он был уже опытным альпинистом. Однажды во время одного из сложных подъёмов погодные условия испортились, Хью с товарищем попали в метель, они провели на ветру и морозе несколько часов. У Хью, когда его спасли, были тяжелые отморожения нижних конечностей, его жизнь могла спасти лишь немедленная ампутация обеих ног.

Но Хью это не привело в отчаяние. Он дал себе слова вновь выйти на горный склон и вновь штурмовать вершины. Сегодня Хью возглавляет . Он и его сотрудники разрабатывают новые типы протезы конечностей.

Ему только что вручили премию принцессы Астурийской в номинации “Наука и технологии”.

С Хью Герром встретился журналист euronews Кристофер Камминс.

Хью Герр : “Мне тогда сделали обычные протезы. Это было почти 35 лет назад. Я был в ужасе. Я сказал себе – “Ну не может быть такого ада!”. Они были из деревяшек и из резины. Ничего, чтобы учитывало бы мое телосложение. Никаких сенсоров и датчиков. Никаких компьютеров, никаких попыток наладить мускульную память. И я тогда сказал еще – “Это какая-то неудачная шутка. Это идиотизм”. И именно эта моя жизненная ситуация подвигла меня на то, чтобы заниматься созданием протезов. Я в первую очередь думал о том, что хочу вернуться к занятиям альпинизмом.

Кристофер Камминс : “У вас были какие-то наработки до этого?”.

Хью Герр : “Я мастерил на каникулах, когда учился в старших классах. Я в этом смысле соображал, как соединить дерево и резину, как соединить дерево, металл и резину. Поэтому я пошёл в магазин, купил материалов и начал работать. Сверлить и паять. И у меня что-то в итоге получилось. Это что-то я даже смог надеть и даже смог начать тренировки по восхождению. И у меня все получалось. Получалось настолько хорошо, что мне какие-то особые продвинутые протезы не требовались в тот момент. Но я не собирался останавливаться на достигнутом, я хотел выйти за прежние стереотипы представлений о жизни инвалида. Я ставил себе более сложные задачи. Я думал о том, как живут те, у кого нет ног, нет рук, кто лишён зрения. Кто парализован в результате болезни. Я думал о том, чтобы облегчить их жизнь, вернуть их из состояния уныния, дать им радость”.

Крис Каминс : “И тогда вы стали интересоваться бионикой?”.

Хью Герр : “Да. Именно”.

Кристофер Камминс : “Объясните, как это работает, каков принцип действия”.

Хью Герр : “Это бионические конечности. Это что-то фантастическое. На каждой – три компьютера, ну, не слишком большие. Двенадцать сенсоров, которые ведут измерения скорости, позиции, температуры и усилий, которые требуется приложить. Решения принимаются в соответствии с алгоритмом, который рассчитывается компьютером. Есть выражение – контролировать каждый шаг. Так вот, это его буквальное воплощение. Протезы снабжены электрическими аккумуляторами. Они заряжаются за ночь или за время отдыха. Сегодня у нас есть возможность контролировать практически любое мускульное действие. Сегодня мы параллельно изучаем поведение нейронов при совершении того или иного движения и жеста. Сегодня имеются прототипы, хорошо работающие, протезов, которые имеют связь с нейронами, мы в состоянии расшифровать высшую нервную деятельность в момент, когда делается физическое усилие. Сегодня имеется и программное обеспечение, умеющее все это просчитать. Мы готовы сделать протезы, которые могут быть подсоединены особым путём к требуемым участкам головного мозга. То есть практически это уже не протезы. Это уже мои собственные конечности. Они имеют почти ту же чувствительность, что и обычные ноги или руки”.

Кристофер Камминс : “Чувствительность?”.

Хью Герр : “Да. Имеются прототипы. Есть конкретные результаты. Это все в скором будущем получит, что называется, промышленную прописку”.

Кристофер Камминс : “Говоря о внедрении в производство, ведь речь идет об очень ёмком сегменте рынка. Это многие миллионы, даже миллиарды долларов. Это высокие технологии. И этот конечный продукт будет стоить очень дорого. А что насчет тех, кто не сможет его купить? Потому что у них нет денег. Есть ли возможность удешевить его?”.

Хью Герр : “Мы и в этом отношении ведем наши разработки. Мы специально предусматриваем необходимость поддерживать уровень производственного решения и одновременно снижать на него цену. Мы сумели сделать так, что частично производить протезы можно на небольших фабриках и в мастерских. Сегодня там работают люди, умеющие выполнять сложные технические задания. Мы также знаем, что рынок очень ёмкий, спрос на продукцию большой, а увеличение количества всегда за собой влечёт снижение цены для потребителя.

Следующий этап – создание нового гуманоида, который живёт в цифровой реальности. Гуманоиду не понадобится многое, в том числе белье, или даже конечности, чтобы осуществлять многие жизненно важные функции и операции. Наша цель – сделать протезы именно такими. Чтобы они не ощущались как протезы, а воспринимались бы как пара запасных ног или рук. Гуманоид нам нужен, чтобы понять, как оптимально интерфейс протезов может взаимодействовать с тем, кто их будет носить. Это еще один, очень важный аспект наших исследований, которые мы тут ведем”.

Кристофер Камминс : “А что насчет этики в данном случае?”.

Хью Герр : “Этические вопросы в таких ситуациях часто встают на повестке дня. Но я должен сказать, что тут перед нами открываются иные перспективы. Речь идет о том, чтобы в принципе закончить с таким понятием как инвалидность. Больше не будет страданий, переживаний, депрессий из-за того, что какая-то часть тела перестала функционировать должным образом или перестала действовать вообще. Это – невероятная возможность для человечества. Разумеется, этичность подхода имеет значение, этика играет важную роль, но я бы не стал преувеличивать ее роль: мы говорим о том, что мы должны ответственно подходить к решениям на каждом этапе работ. И, конечно же, нам нужны законы и правила, которые касаются этой сферы науки, производства и жизни социума.

Мы сегодня работаем над самыми невероятными проектами. Мы пока не знаем, как протезы смогут взаимодействовать с периферийной нервной системой. Пока мы сумели создать безупречно работающий интерфейс. Нам предстоит многое усовершенствовать в том, что касается дизайнерского решения протезов. Сегодня мы в самом начале пути внедрения наших разработок, а бионика чем дальше, тем больше становится междисциплинарной сферой знаний, которая включает в себя и физиологию, и психологию”.

Кристофер Камминс : “Так что когда в следующий раз у меня заноют мениски, я просто заскочу в супермаркет, я правильно вас понял? Поздравляем вас с наградой. Спасибо за ваш рассказ и успехов вам в вашей работе”.

Хью Герр создает следующее поколение бионических конечностей, роботизированных протезов, вдохновленных проектами самой природы. Герр потерял обе ноги в несчастном случае во время скалалазания 30 лет назад; сейчас, в качестве главы группы биомехатроники при MIT Media Lab (MIT Media Lab’s Biomechatronics group), он представляет свои невероятные технологии в выступлении, которое одновременно и техническое, и глубоко личное - с помощью балерины Адриан Хаслет–Дэвис, которая потеряла левую ногу в 2013 году во время взрыва на Бостонском Марафоне, и которая, впервые с тех пор, выступает на сцене TED.

Смотрим видео под катом …

Вряд ли 17-летний Хью в далеком 1982-м знал, чем закончится тот зимний поход в горы. Разыгралась сильная буря, и они с другом заблудились, сбились с маршрута и провели три ночи при температуре −29 °C. В итоге сильнейшие обморожения отняли у Хью обе ноги. Но смогло ли отсутствие ног остановить его от того, чтобы заниматься альпинизмом?

Родился Хью Герр (Hugh Herr) в 1964 году в Ланкастере, штат Пенсильвания (Lancaster, Pennsylvania). Он рос одним из пяти детей в семье, был младшим, и с ранних лет мальчика начали манить горы. Он начал восхождения в возрасте 8 лет, и в стль нежном возрасте сумел подняться на гору Mount Temple в Канадских Скалистых горах (Canadian Rockies) высотой 3,544 м. К 17 годам Герра уже знали как одного из самых талантливых молодых альпинистов США.

В январе 1982-го Герр был членом экспедиции на гору Вашингтон (Mount Washington) в штате Нью-Хэмпшир (New Hampshire). Погода внезапно испортилась, и вместе со своим приятелем Джеффом Батцером (Jeff Batzer) Хью сбился с маршрута. Парни провели в пещере при температуре −29 °C три ночи, получив страшные обморожения. Но они выжили, и это было чудом. Спасательная операция была невероятно сложной – один из спасателей-волонтеров погиб при сходе лавины. Позднее обмороженных альпинистов доставили в больницу, где Джеффу ампутировали пальцы правой ноги, часть левой ноги и пальцы правой руки. Хью Герр лишился обеих ног.

Несколько месяцев после ампутации ушло на восстановление и осознание своей новой реальности, а потом Герр очень удивил всех – и родных, и врачей. Он снова начал собираться в горы. Это казалось немыслимым – едва оправившись от страшной травмы, он снова добровольно шел на тот же самый риск. Но остановить Хью было совершенно невозможно – он твердо решил, что скалолазом он все равно останется, независимо от количества рук и ног.

Со временем протезы становились все более и более сложными и ‘умными’, и протезы Хью специально разрабатывались для него и под его нужды. Кстати, он и сам принимал самое деятельное участие в разработках, а позднее связал с этой областью науки и всю свою жизнь.

Его сегодняшние бионические ноги разработаны в знаменитом Массачусетском Технологическом Институте (MIT), и сам Хью является профессором в этом заведении. Он является руководителем группы ‘Biomechatronics research group’ в знаменитой лаборатории MIT Media Lab, а, кроме того, занят в программах Media Arts and Sciences и в Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology.

У Хью Герра множество наград – ‘Spirit of Da Vinci Award’, ‘TIME magazine Top Ten Inventions’, ’13th Heinz Award in Technology, the Economy and Employment’ и другие.

Он имеет не менее 10 различных патентов и написал около 60 работ. Цель Хью Герра – разработать такие протезы и устройства, которые навсегда победят такой недуг человека, как любого рода инвалидность. Герр уверен, что будущее протезов невероятно обширно, ведь, как говорит сам профессор, ‘бионические протезы бессмертны’.

Обзор компаний по производству «умных» протезов

В закладки

Удешевление 3D-печати приводит к появлению компаний, которые теперь могут найти покупателей в новых направлениях. Одним из таких направлений стало протезирование конечностей. Обозреватель сайт изучил, какие компании занимаются созданием «умных» протезов.

В массовой культуре уже давно эксплуатируются опасения перед бионическими технологиями и превращением людей в киборгов. До возможного раскола общества и повсеместного использования искусственных «улучшений» человеческого тела ещё очень далеко. А пока появляются компании, стремящиеся помочь людям, потерявшим конечности, и вернуть их к нормальной жизни в обществе.

Standard Cyborg

Компания основана Джеффом Хубером, инженером и предпринимателем. До Standard Cyborg в 2011 году он, бросив университет, попробовал свои силы в сфере онлайн-образования, но его первый стартап Knowit так не достиг успеха. Поработав некоторое время в маркетинговой компании MightyHive, Джефф решил вернуться к своей старой идее - выпускать недорогие протезы. Он купил 3D-принтер за тысячу долларов и начал готовить тестовые прототипы. Немного позже Standard Cyborg получила место в акселераторе Y Combinator.

Джеффу ещё в детстве ампутировали часть левой ноги из-за малоберцовой гемимелии. Для ребёнка в США получить протез проще, но достигшим совершеннолетия приходится тяжело, во многом из-за высоких цен.

Джефф начал с малого и сконцентрировался на протезах части ноги ниже колена для применения в условиях, где обычно в дорогостоящий протез забивается вода или песок. Например, для принятия душа, что на одной ноге делать довольно сложно. Джефф на своём опыте понял, насколько может быть полезен недорогой протез, защищённый от влаги и грязи.

Протезы для уверенной ходьбы в сложных для инвалидов условиях стоят десятки тысяч долларов. Обычно протез с защитой от воды стоит около $5 тысяч, Джефф же предлагает отсканировать и напечатать на 3D-принтере копию протеза клиента, а затем оснастить полученную версию специальной защитой из углеродного волокна. Такой протез не будет обладать повышенной гибкостью, но зато обойдётся уже в $800.

В дальнейшем Хубер планирует создавать и другие виды протезов для самых разных нужд, если услуги его компании окажутся востребованными.

Exiii

Японский стартап официально запущен в 2014 году тремя друзьями, сотрудниками Sony и Panasonic. Инициатором проекта был Джента Кондо, взявший на себя роль генерального директора новой компании.

Джента с 2011 года работал в секретном отделе Sony, занимаясь разработками в сфере роботехники. Довольно долго, ещё со школы, он интересовался бионическим протезированием и моторикой человеческого тела, однако на тот момент производить сложные протезы можно было только по очень высокой цене. К 2014 году ситуация изменилась с появлением относительно недорогих 3D-принтеров.

Кондо посчитал новые условия подходящими для реализации своей давней идеи. Он изучил различные исследования рынка Японии в направлении протезирования конечностей и понял, что эта ниша почти никем не занята. Очень небольшой процент людей используют функциональные протезы, остальные лишь маскируют отсутствие конечностей косметическими заменителями.

3D-принтеры сильно ускорили процесс разработки аппаратных средств. Когда я использовал 3D-принтеры в лаборатории Sony, создавая детали для роботов с их помощью, у меня было чувство, что они изменят всю индустрию - весь мир
Джента Кондо, гендиректор Exiii

Со своим первым прототипом бионической руки они заняли второе место в конкурсе James Dyson Award в том же 2014 году. Это привлекло внимание к их разработке и компании. Японская компания DMM предложила им место в своём коворкинге, а Exiii представила свои новые прототипы на фестивале SXSW.

На сегодня у Exiii есть 5 прототипов. HACKberry - самый последний и совершенный из них весит собран на основе чипа Arduino Micro, использует 3 мотора для движения пальцев, работает на подзаряжаемом блоке питания от цифровой камеры, который несложно заменить при необходимости и весит 650 граммов. Все биоэлектрические прототипы основаны на технологии преобразования сокращений мышц в моторизированное движение пальцев.

Поняв, что существующей бизнес-модели недостаточно для продвижения своего продукта в этой нише, Exiii выложили в открытый доступ программные исходники и модели деталей для печати на 3D-принтере. Они надеются, что энтузиасты со всего мира продолжат развивать их наработки, предлагая улучшения, о которых сами разработчики ещё не думали.

Также для HACKberry разработали мобильное приложение, позволяющее управлять набором заранее подготовленных положений пальцев, чтобы владелец мог, например, быстро поднять стакан, если система не сразу срабатывает от сокращений мышц.

BionX

Компания основана в 2007 году доктором Хью Герром и называлась изначально iWalk. Хью Герр известен по работе в области бионики - разработке протезов, в первую очередь, нижних конечностей. Его выступление на TED разобрали на цитаты основатели стартапов в области протезирования.

Герр был одним из лучших альпинистов в США, но в 1982 году потерял обе ноги ниже колен из-за обморожения, попав в снежную бурю во время прохождения трудного горного маршрута. Но он не только не потерял желание покорять горные вершины, но и посвятил свою дальнейшую жизнь покорению вершин научных - разработке технически сложных протезов. Сегодня он руководит подразделением биомехатроники в лаборатории Массачусетского технологического института.

Мы вступаем в эпоху бионики, где мы по-настоящему начинаем видеть технологии, достаточно сложные, чтобы имитировать важнейшие физиологические функции
Хью Герр

Герр был одним из инициаторов разработки протеза нижних конечностей BiOM. Этот протез использует новаторские решения, позволяющие имитировать работу настоящих мышц, придавать дополнительное усилие в нужные моменты, например, при подъемах вверх по склонам или лестницам, при этом обеспечивая плавность и гибкость.
Компания получала инвестиции от правительственных служб, Министерства обороны США и компаний WFD Ventures, General Catalyst Partners, Sigma Partners и Gilde Healthcare Partners.

Össur

Исландская компания, основанная в 1971 году, уже далеко не стартап, напротив - это крупная международная организация, представленная в Южной и Северной Америке, Европе и Азии. Компания специализируется на ортопедическом оборудовании и протезах. Össur стремится идти в ногу со временем, именно это и служит вдохновением для более молодых компаний.

Их новые модели протезов используют технологии, похожие на разработки MIT и BionX. Создаётся эффект, похожий на работу настоящих мышц. Специальный механизм и материалы, управляемые программным обеспечением, адаптируются к условиям ходьбы и позволяют перемещаться по сложным поверхностям, постепенно ускоряться и замедляться, затрачивая меньше энергии с каждым шагом.

Bebionic

Подразделение компании Steeper создаёт протезы рук. На данный момент их главный продукт - bebionic, работающий под управлением микропроцессора. Каждый палец протеза приводится в движение отдельным мотором, управляемым программным обеспечением.

В системе есть 14 заранее подготовленных вариантов положения пальцев и 4 положения кисти. Конструкция выдерживает нагрузку до 45 кг, поэтому с такой бионической рукой точно получится носить тяжёлые сумки. Протез выпускается в двух вариантах, поэтому, по желанию клиента, бионическую руку можно максимально приблизить к настоящей человеческой руке по внешнему виду, надев на неё силиконовую «кожу». Также компания производит уменьшенный вариант протеза - bebionic small, который лучше подойдёт для женщин.

Open Bionics

Британский стартап, получивший первое место на James Dyson Award, занимается разработкой недорогих миоэлектрических протезов рук. Их основное достижение в том, что им удаётся серьёзно удешевить такие протезы в десятки раз по сравнению с представленными на рынке и при этом сохранить все необходимые функции.

Умный гору обойдет

Хью Герр родился в 1964 году в Ланкастере, Пенсильвания. C детства занимался альпинизмом. На гору Темпл высотой 3544 м он впервые взошел в восемь лет, а через два года уже считался одним из самых перспективных альпинистов США. Но в 17 лет его карьера в спорте подошла к концу. В неудачной экспедиции Герр застрял в ледяных горах на три дня и получил обморожение, которое оказалось столь серьезным, что врачи были вынуждены ампутировать ему обе ноги до колена.

Герр дал себе слово, что обязательно вернется в горы. Поэтому, выйдя из больницы, он начал самостоятельно создавать для себя протезы. Например, протез-кошку, с помощью которого смог лазать по отвесным снежным стенам.

Осознав, что хочет жить в мире полноценных людей, он поступает в Университет Миллерсвилля, где разрабатывает и патентует крепление для ножного протеза, затем заканчивает магистратуру Массачусетского технологического института и отправляется в Гарвард, где получает степень доктора наук биофизики и продолжает попытки сделать протезы более надежными, легкими и «отзывчивыми».

Хью Герр в больнице после рокового похода в горы, 1982

Гибкость ног и никакого мошенничества

Первые протезы появились в древнем Египте — ампутированные ноги там заменяли деревом, обтянутым кожей. И с тех пор протезирование ушло совсем недалеко вперед: почти все современные протезы не взаимодействуют с телом напрямую — ими нельзя управлять силой мышц, не говоря уже о силе мысли. Представить себе человека, способного хотя бы стоять на протезах без поддержки, практически невозможно. Эту проблему призвана решить бионика — наука, посвятившая себя налаживанию контакта между искусственными материалами и костной и мышечной тканью.

Хью Герр посвятил себя именно бионике. После Гарварда он возвращается преподавать в МТИ и открывает там Центр экстремальной бионики, в котором, опираясь на антропометрию, разрабатывает идеальные крепления для разных частей ноги. Изучив, как ведет себя та или иная часть ноги в движении, он моделирует эту схему на компьютере. Измеряется угол наклона стопы и сгиба колена, распределение нагрузки на разные мышцы. Чтобы сделать протез гибким, в некоторых его частях, например в механической стопе, Герр использует материал, который в обычном состоянии представляет собой мягкую «ткань», но стоит пропустить через него электричество — твердеет и становится плотным и жестким. Если напрячь ногу, сенсоры зафиксируют мышечную активность и протез станет «жестким». Если расслабить — «мягким». За счет этого ходьба получается очень естественной. А для создания крепежа, которое связывает стопу с мышцами человека, точное расположение всех мышц в культе определяется специальными сканерами.

Попытка к бегству

В марте 2014 года Хью Герр выступил с докладом на крупной научной конференции TED и обозначил основную проблему протезирования: «В XXI веке, когда технологии переживают колоссальный расцвет, мы до сих пор не знаем, как крепить механические устройства к собственному телу. Даже обычная обувь натирает нам мозоли». На сцену он вышел на двух механических протезах и держался на них более чем непринужденно, а демонстрируя эффективность протеза, несколько секунд бежал на месте.

«Каждый человек должен иметь право прожить жизнь без инвалидности. Право жить без тяжелейших депрессий. Право видеть своих любимых, даже если он лишился зрения, и танцевать даже после ампутации. Мы можем достичь этих высот, если примем тот факт, что человек не может быть неполноценным. Неполноценны наши технологии. С помощью бионики мы сможем раз и навсегда покончить с инвалидностью», — патетично завершил Герр свой доклад. И пригласил на сцену Эдриан Хаслет-Дэвис, танцовщицу, которая лишилась левой ноги во время взрыва на Бостонском марафоне. Благодаря команде Хью она теперь снова может танцевать.

Герр, кажется, не собирается сколачивать состояние и взвинчивать цену на свои технологии, а протезы, на которых он вышел на сцену, по его словам, уже можно отправлять в массовое производство. Теперь слово за правительством США. Ему осталось только удовлетворить прошение Герра и выделить Центру экстремальной бионики финансирование на производство протезов.

Одним из недостатков протезов является их внешний вид — они состоят из металла или пластика и выглядят соответствующе. К тому же они не способны передать человеку тактильные ощущения. Эти проблемы может решить искусственная электронная кожа. В настоящее время сразу в нескольких институтах мира ведутся ее разработки. Некоторые прототипы уже могут симулировать ощущение прикосновения, но ученым еще нужно решить множество вопросов, например сделать материал по-настоящему гибким.

Дмитрий Петренко

Американский скалолаз, у которого нет обеих ног. Сегодня он разрабатывает протезы и посвятил свою жизнь поиску "совершенных протезов".

Со временем протезы становились все более и более сложными и "умными", и протезы Хью специально разрабатывались для него и под его нужды. Кстати, он и сам принимал самое деятельное участие в разработках, а позднее связал с этой областью науки и всю свою жизнь.

Его сегодняшние бионические ноги разработаны в знаменитом Массачусетском Технологическом Институте (MIT), и сам Хью является профессором в этом заведении. Он является руководителем группы "Biomechatronics research group" в знаменитой лаборатории MIT Media Lab, а, кроме того, занят в программах Media Arts and Sciences и в Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology.

У Хью Герра множество наград – "Spirit of Da Vinci Award", "TIME magazine Top Ten Inventions", "13th Heinz Award in Technology, the Economy and Employment" и другие.

Он имеет не менее 10 различных патентов и написал около 60 работ. Цель Хью Герра – разработать такие протезы и устройства, которые навсегда победят такой недуг человека, как любого рода инвалидность. Герр уверен, что будущее протезов невероятно обширно, ведь, как говорит сам профессор, "бионические протезы бессмертны".

Известно, что Хью женат на писательнице Патрисии Эллис Герр (Patricia Ellis Herr) и у них есть две дочери. О ранних восхождениях и приключениях мужа Патрисия написала в своей книге "Up: A Mother and Daughter"s Peakbagging Adventure".