Современные технологии протезирования выходят на принципиально новый уровень, позволяя буквально объединить живой организм и сложную электронику. В интервью для канала WIRED доктор Макс Ортис Каталан рассказал о революционной бионической системе, которая управляется силой мысли и способна возвращать пациентам осязание. На примере сложнейших операций, проводимых в том числе для пострадавших в результате военных действий на Украине, ученый продемонстрировал технологическую цепочку интеграции высокотехнологичного протеза в тело человека.
🦴 Остеоинтеграция: как титан срастается с костью 0:00
Разработчик бионической системы Макс Ортис Каталан координирует помощь пациентам из Украины, где из-за военных действий возник масштабный кризис: в стране насчитывается более 15 000 человек с ампутированными конечностями. Традиционные механические или эстетические силиконовые протезы крайне неудобны, поскольку они крепятся с помощью гильзы, которая сильно давит на кожу, много весит и вызывает дискомфорт. Решением этой проблемы стала технология остеоинтеграции — вживление титановой структуры напрямую в скелет пациента.
Метод остеоинтеграции изначально совершил переворот в стоматологии, а затем был адаптирован для ортопедии. Еще в 1950-х годах ученые обнаружили, что если зафиксировать титан внутри кости, костные клетки начинают расти прямо на поверхности металла, создавая прочное соединение с остатком конечности.
Процесс интеграции протеза проходит в несколько этапов:
- Хирург помещает титановый имплант, напоминающий винт, внутрь центральной части кости (например, при ампутации выше локтя).
- Пациент восстанавливается в течение нескольких месяцев, пока костные клетки плотно обрастают имплант.
- Часть импланта выводится наружу через кожу для последующего прямого подключения роботизированной конечности.
При ампутации ниже локтя хирурги сталкиваются с дополнительными трудностями, поскольку лучевая и локтевая кости предплечья движутся независимо друг от друга в разных плоскостях. Для решения этой задачи команда Ортиса Каталана разработала специальный искусственный сустав, который компенсирует эти микродвижения, сохраняя при этом естественную траекторию перемещения костей.
🔌 Хирургия нервов и мышцы-«громкоговорители» 2:11
Следующим критически важным шагом является хирургическое вживление электродов внутрь мышц и нервов вокруг культи. Обычные датчики, которые просто накладываются на кожу, подвержены сильному воздействию электромагнитных помех от компьютеров или инструментов. Более того, малейшее движение, смещение датчика или выделение пота делают протез неуправляемым, порождая так называемые «артефакты движения». Инвазивные электроды полностью лишены этих недостатков.
При ампутации кисти у человека остается достаточно мышц предплечья, чтобы управлять искусственными пальцами, но если рука ампутирована выше локтя, источников сигналов критически не хватает. В этом случае ученым приходится «перепрошивать» биологическую проводку человеческого тела:
- Нерв, который ранее шел к кисти руки, хирургически перенаправляют в одну из головок бицепса. Когда пациент мысленно пытается сжать ладонь, эта часть мышцы сокращается.
- Крупные нервы руки (лучевой, локтевой и срединный) разделяют на отдельные пучки аксонов (фасцикулы).
- Для создания дополнительных точек управления врачи берут небольшой кусочек мышцы из ноги пациента (свободный мышечный лоскут) и пересаживают его в руку, подключая к нему свободные пучки нервов.
Затем в мышцу вводится металлический электрод, соединенный с коннектором внутри титанового импланта при помощи биосовместимого провода. Органические сигналы, идущие от мозга по нервам, очень слабы — они примерно в 10 000 раз меньше электрических сигналов, необходимых для работы цифровой техники. Вживленный электрод использует саму мышцу как своеобразный «громкоговоритель», который многократно усиливает слабый мозговой импульс. При этом внутренняя часть системы не имеет батареек и не требует подзарядки; вся энергия поступает от внешнего протеза, превращая титановый штифт в своеобразный «USB-порт в нервную систему» человека.
🧠 Нейросети и виртуальная реальность против фантомных болей 4:32
Электрические импульсы из мышц передаются в микропроцессор (ЦП) бионической руки, однако ИИ не может сразу распознать, какое именно движение планирует человек. Систему необходимо обучать: пациента просят мысленно сжать руку, ИИ записывает паттерны активности, затем процедуру повторяют с раскрытием ладони, а инженеры маркируют эти данные для алгоритма. Компьютер переводит нейронные сигналы в цифровой код, который и запускает соответствующие роботизированные моторы.
Сразу после операции, еще до установки физического протеза, пациента подключают к системе виртуальной реальности. Кабели от титановых имплантов передают сигналы на компьютер по беспроводной связи, позволяя человеку управлять виртуальной рукой. Это тренирует мышцы и делает их сигналы более четкими.
Кроме того, VR-тренировки решают тяжелую проблему фантомных болей, возникающих из-за того, что мозг «теряет» конечность и начинает воображать ее застывшей в неестественном или вывернутом положении. По словам Ортиса Каталана, разработанный им метод визуализации заставляет мозг задействовать те же нейронные ресурсы, что использовались для управления настоящей рукой, благодаря чему фантомные боли существенно снижаются.
⚙️ Погружение в реальный мир: калибровка и осязание 6:18
После виртуальных тестов пациент получает реальный протез и начинает практиковаться в бытовых задачах: собирает чемодан или берет мелкие предметы. Одной из самых впечатляющих функций данной разработки является восстановление обратной связи — чувства осязания.
На кончиках большого и указательного пальцев бионической руки установлены датчики давления. При контакте с предметом встроенный в протез нейростимулятор посылает электрические импульсы обратно по электродам к сохраненным нервным окончаниям. Поскольку этот нерв исторически был связан с биологической рукой, мозг безошибочно интерпретирует искусственную стимуляцию как реальное прикосновение к кончикам пальцев. Доктор подчеркивает: не имеет значения, в какой именно точке нервного пути происходит стимуляция — сознание все равно спроецирует ощущение в область пальца.
Тем не менее Ортис Каталан признает, что до технологий из «Звездных войн» современной науке еще далеко. Биологический палец человека снабжен сотнями рецепторов, отправляющих сигналы через сотни нейронов, тогда как разрешение нынешнего нейроинтерфейса весьма ограничено. Протез передает лишь грубые, базовые ощущения, однако они бесценны на практике: пациент четко понимает, что держит предмет и чувствует, если вещь начинает выскальзывать из ладони.
💰 Экономика бионики и киборгизация будущего 8:09
Вся электроника системы является автономной. Сменной батареи протеза хватает на целый день работы, так что эпоха, когда пациентам приходилось носить с собой тяжелые рюкзаки с аккумуляторами и компьютерами, осталась в прошлом. Сейчас пользователи посещают клинику доктора Ортиса Каталана всего пару раз в год для тонкой настройки или в случае мелких поломок.
Главным барьером остается доступность: стоимость такого премиального бионического протеза превышает 110 000 долларов. Ученый выразил надежду, что с распространением технологии ее цена начнет снижаться. Созданный человеко-машинный интерфейс универсален: теоретически, его можно подключить к рулевому колесу автомобиля, чтобы управлять машиной силой мысли.
Отвечая на вопрос о перспективах создания сверхсильных людей в стиле киборгов, Ортис Каталан отметил, что коммерческие компании обязательно будут развивать направление аугментации человека (увеличение силы, скорости, выносливости). Сделать роботизированную руку намного сильнее биологической можно уже сейчас, однако воссоздать тонкую человеческую моторику и ловкость современная робототехника пока не способна. Сам исследователь подчеркивает, что пришел в сферу биомедицины ради решения медицинских проблем и помощи людям с инвалидностью, и именно на этом долго еще будет сосредоточено внимание науки.
