Implantable Technology/ Технология имплантов. (Часть 2)
Начало- (Часть 1)
Текущие исследования направлены на интеграцию трех основных элементов бионического протезирования ноги: искусственного бедра, колена и самой ноги. Системы BMI интегрированы с остальным оборудованием bionic leg, используя электрические сигналы мозга, поступающие к основанию оставшегося конца ноги, где размещен нейронный зонд для сбора сигналов и их электронной обработки.
Два механических элемента бионической ноги, колено и бедро, являются одними из наиболее часто имплантируемых устройств из-за постоянного трения в суставах, которое приводит к разрушению хрящей и костей. Замена этих двух механических имплантатов представляет собой значительную (и прибыльную) инженерную задачу, в то время как послеоперационные осложнения все еще могут быть связаны с серьезными рисками, которые в некоторых случаях могут привести к смерти пациента в течение первых 90 дней после операции (различные статистические данные находятся в открытом доступе).
Неинвазивный метод определения индекса массы тела
В отличие от глубоко инвазивных методов ИМТ с использованием имплантированных зондов и микросхем, которые находятся в непосредственном контакте с нейронами головного мозга, что обеспечивает лучшее соотношение сигнал/шум (SNR) и пространственное разрешение, неинвазивные методы электроэнцефалографии (ЭЭГ) применяют электроды снаружи на коже. Следовательно, SNR и пространственное разрешение значительно ухудшаются. В качестве контраргумента, электрические сигналы, проходящие под кожей, например, для управления движением глаз, относительно легко улавливаются и обрабатываются внешней электроникой, что делает этот подход подходящим для проектирования более простых систем управления ИМТ [22]. В последнее время появилось множество коммерческих приложений, использующих этот принцип в видеоиграх, медицине, военном деле и других областях.
Интерфейс "Мозг-машина" для нейронных действий
Помимо обнаружения действий, связанных с двигательной функцией, интерфейс нейронного зонда широко используется для подключения к другим областям мозга. А именно, доступ к внутренним областям мозга, подключение к слуховому нерву, а в последнее время и к зрительному нерву являются наиболее активными направлениями исследований в этом направлении. Ниже приведены три типичных примера немоторного BMI.
Глубокий стимулятор мозга
С 1987 года, когда А.Л. Бенабид [23] разработал метод глубокой стимуляции мозга для лечения болезни Паркинсона, область глубокой нейрохирургии головного мозга применяла этот метод для лечения хронической боли, глубокой депрессии и обсессивно-компульсивного расстройства. В последнее время также применяется для экспериментального лечения синдрома Туретта и других применений. Подобно другим инвазивным методам, этот метод также предполагает использование роботизированных нейрохирургических инструментов [24].
[Т.е. не устрнанение причины, а устранение последствий чипом в голову :)]
Улитковый
Считающийся одним из самых успешных коммерческих имплантатов на сегодняшний день, кохлеарный имплантат [25] используется в клинической практике с 1977 года. В традиционной установке микрофон и звуковой процессор монтируются снаружи. Затем используется беспроводной канал связи на короткие расстояния для передачи обработанной информации на внутренний имплантат, который отвечает за обеспечение надлежащего воздействия на электроды внутри улитки. Впоследствии электрически стимулированные слуховые нервы дополнительно позволяют мозгу интерпретировать поступающий звук. В самых современных системах диапазон слышимости человека делится на 16 каналов и до 22 электродов. Частотный диапазон оптимизирован для человеческого голоса, поэтому телефонная связь обычно не является проблемой для пользователя.
Однако в шумной обстановке возникает “эффект коктейльной вечеринки”, к которому наша естественная слуховая система хорошо адаптирована, но имплантат пока не способен справиться с этим. Таким образом, прослушивание классической музыки, например, все еще не совсем возможно с помощью кохлеарного имплантата (очевидно, лишь временно на данном этапе развития технологии). Некоторые из новейших систем слуховых аппаратов сообщают о заметном прогрессе в этой области [26].
В последних разработках, помимо дальнейшей миниатюризации, исследователи изучают другие механизмы стимуляции нерва улитки, например, с помощью серии лазерных импульсов во внутреннем ухе и оптоакустических эффектов [27].
Бионический глаз
Что может быть более чудесным, чем восстановление зрения слепого человека? Исследования в области зрительного протезирования проводятся по модели улиточного имплантата: внешняя камера используется для оцифровки изображения, которое затем обрабатывается электронным способом и используется имплантированными электродами для стимуляции сетчатки, затем оптический нерв передает информацию в мозг, который способен интерпретировать эти искусственно созданные сигналы как изображения с низким разрешением [28]. Современные экспериментальные бионические глазные системы используют тысячи электродов [29], создавая таким образом изображения, которые позволяют визуально отделить, например, профиль человека от профиля дома и некоторых других объектов, но с относительно низким разрешением черно-белых изображений. То есть для достижения разрешения, необходимого, например, для чтения книг, потребуется дальнейшее улучшение, по крайней мере, на порядок.
Следует отметить интересный и неочевидный сценарий, связанный с имплантатами, которые непосредственно стимулируют нервы человека. Электрические сигналы, стимулирующие улитку или сетчатку, генерируются электронной схемой. Иными словами, мозг не может знать происхождение принимаемых и интерпретируемых звуковых или видеосигналов. Другими словами, для всех практических целей звук и изображения могут даже не исходить из непосредственного окружения, вместо этого они могли быть искусственно синтезированы машиной, расположенной на другой планете. Таким образом, усовершенствованные люди могли бы испытывать “искусственную имплантированную реальность”, даже не подозревая об этом. Более того, в не столь отдаленном будущем у людей, использующих слуховые имплантаты, оснащенные “языковым переводчиком”, может сложиться впечатление, что они разговаривают с другим человеком на своем родном языке. Но вместо этого они могут быть не в состоянии узнать, было ли исходное сообщение переводом в режиме реального времени с другого языка или нет. Эти ставшие теперь реалистичными сценарии открывают возможности, которые все еще являются предметом научной фантастики, однако нет никаких фундаментальных физических препятствий, препятствующих их реализации [9].
[Т.е. вас можно будет наебать, а вы даже не заметите :)]
Сердечно-сосудистые имплантаты
Регистрация электрической активности сердца стала возможной благодаря изобретению электрокардиографии (ЭКГ) в 1903 году, которая позволила использовать многие аспекты современной сердечно-сосудистой медицины. Само сердце было одним из первых органов, получивших пользу от имплантируемой технологии. Понимание механики жидкости и физиологии сердца позволило провести первые операции по имплантации искусственного сердечного клапана с использованием внешнего кардиостимулятора в 1951-1952 годах [30].
В то же время велась разработка транзистора, что в конечном итоге позволило создать полностью имплантируемые электронные устройства. Эта новая возможность была быстро использована для разработки полностью имплантируемого кардиостимулятора, впервые протестированного на животных в 1958 году, за которым последовала первая успешная операция на человеке в 1960 году, что сделало кардиостимулятор первым имплантируемым электронным устройством [2]. Его последующая разработка стимулировала исследования в области биосовместимых материалов, электродов и перезаряжаемых легких батарей. Современные кардиостимуляторы часто интегрированы с дефибриллятором, функция которого заключается в восстановлении сердцебиения в случае остановки сердца.
После ряда экспериментов на животных в 1982 году была проведена широко разрекламированная и противоречивая первая имплантация искусственного сердца человеку [31]. Сегодня это устройство чаще всего используется в качестве внешнего насоса. Процедура 1982 года продлила жизнь испытуемого на 112 дней [32], в течение этого времени он страдал и несколько раз просил позволить ему умереть. [клево быть подопытной свинкой!] Общедоступные данные разнятся; однако, похоже, что с 1969 по 5 сентября 2014 года было проведено 1333 имплантации искусственного сердца с использованием 13 различных конструкций, и, согласно Книге рекордов Гиннесса, самый долгоживущий пациент прожил почти 7,5 лет. Искусственное сердце по-прежнему в основном используется для увеличения времени ожидания пациентов, которым требуется замена сердца, поскольку список потенциальных доноров сердца намного короче, чем список ожидающих пациентов. Но споры об этических, юридических, моральных и финансовых вопросах все еще очень жаркие и нерешенные. Случай с первым искусственным сердцем иллюстрирует многочисленные нетехнические противоречия.
Имплантируемые системы - поистине мультидисциплинарная технология
Замечательной особенностью имплантируемых систем и устройств является то, что они представляют собой по-настоящему междисциплинарные системы, которые требуют сотрудничества множества научных, инженерных и социальных областей с общей целью дальнейшего развития. Необходимо учитывать общие требования безопасности, надежности, использования пациентами, нормативные соображения и общественное признание. Следующие примеры иллюстрируют широкий аспект этого исследования.
Системы доставки лекарств и лаборатории на чипе
Медикаментозное лечение почти всегда предполагает применение лекарственного средства, которое должно быть доставлено в определенную область тела и в определенное время. Быстрое развитие технологий IC и MEMS естественным образом привело к тому, что имплантируемая технология стала рассматриваться как эффективное средство доставки лекарств [33]. Параллельно с другими имплантируемыми системами целью системы доставки лекарств является введение лекарств в течение длительных периодов времени, так что они вводятся либо периодически, либо по запросу. Таким образом, современные сложные имплантируемые электромеханические системы получают питание и электронное управление [34], интегрируются с устройствами микрофлюидики [35], в то же время исследуются все аспекты сложных лабораторных систем на чипе [36], [37].
[Это мне напомнило анекдот как Американцы истратили 100 миллионов для того чтобы изобрести ручку, которая писала бы в космосе, а русские просто взяли карандаш.
С другой стороны это клёвое изобретениа для наёбок неподосревающих пОциентов, которые будут находиться в измененном сознании или без сознания.]
Как показано в In Shadow
Контактные линзы
Хотя впервые это временно инвазивное устройство было задумано Леонардо да Винчи, оно нашло более широкое применение после разработки первой пластиковой линзы в 1948 году, и сегодня, по оценкам, им пользуются более 125 миллионов человек по всему миру, создавая таким образом рынок стоимостью более 6 миллиардов долларов США. Это устройство используется как в медицинских (для улучшения зрения), так и в косметических (для изменения цвета глаз и внешнего вида) целях. Что касается цветных косметических средств для глаз, то в некоторых странах их использование запрещено. Однако общая простота, безопасность (при условии правильного использования и чистки) и широкое распространение рецептурных линз побудили разработать “умные” или иногда называемые “бионическими” контактные линзы, которые включали бы микроэлектронные технологии для встраивания гибкой электроники [38] для выявления диабета или глаукомы, или для обеспечения расширенного зрения [39].
[А нюх, как у собаки; а глаз, как у орла; найду я даже прыщик на жопе у слона.]
Грудные имплантаты
Грудные имплантаты - это технология постоянной имплантации, которая изначально предназначалась для реконструкции груди после мастэктомии. Однако с 19 века грудные имплантаты стали использоваться как в медицинских, так и в косметических целях. Согласно отчету Global Market Research за 2014-2015 годы, доля грудных имплантатов на мировом рынке оценивается более чем в 1 миллиард долларов США, в основном из-за увеличения числа косметических операций. Однако эта относительно зрелая хирургическая процедура получила широкую огласку из-за послеоперационных осложнений, связанных с безопасностью материала, используемого для имплантата [40]. Следовательно, как этические [41], так и юридические [42] материалы публикуются даже в инженерных журналах в попытке повысить осведомленность инженеров об этих нетехнических последствиях и проблемах. Однако современные исследования включают интеграцию грудных имплантатов с системами доставки лекарств и мониторинга [43].
Общество, наука, техника и искусство
Личное и общественное признание ношения видимых протезов, по-видимому, развивается в хорошем направлении, судя по распространению информации и изображений, размещаемых в социальных сетях для общественного потребления. На нескольких показах мод и в журналах уже были представлены “Бионические модели” и музыкальные исполнители, иногда демонстрирующие электронную кожу [44] и электронные татуировки. Социальная новизна этих проявлений наиболее очевидна, потому что в этих перформансах сопутствующее протезирование используется не как неизбежное зло, а как творческое визуальное и художественное высказывание [45].
[Проталкивают повесточку о том что мутанты - это искусство. Нет не искусство. А просто слабоумные мутанты. ]
SLi-аккумулятор и сбор энергии
Мобильные устройства, включая имплантируемые системы, поставили перед исследовательским сообществом новую проблему: как обеспечивать питание этих устройств в течение длительных периодов времени, учитывая ограничения в пространстве и энергопотреблении? Первое и наиболее очевидное направление исследований заключается в снижении энергопотребления устройства. После разработки транзисторных и КМОП-микросхем в этой области был достигнут значительный прогресс. Более агрессивный подход заключается в одновременном уменьшении веса и объема батарей. Иными словами, существует постоянная потребность в легких материалах с высокой плотностью энергии, которые можно было бы использовать для создания имплантируемых батарей. После изобретения литиевой батареи в 1973 году имплантируемые устройства получили подходящий источник энергии, который, несмотря на все усилия, с тех пор практически не изменился. Поэтому исследования в области альтернативных методов доставки энергии к имплантатам, где и когда это необходимо, были сосредоточены в основном на методах сбора энергии [3], [9].
Недавно опубликованные исследования в области глюкозных биотопливных элементов указывают на новое направление, которое может обеспечить следующий революционный этап в питании имплантируемых устройств [46].
Сбои в работе имплантатов и споры
Будучи электромеханическими системами и все еще находящимися в стадии разработки, имплантируемые системы неизбежно подвержены различным типам отказов. Ошибки проектирования и технологические ограничения, безусловно, приводят к неизбежным и типичным отказам, главным образом потому, что биосреда внутри живого существа вызывает коррозию небиологических материалов, используемых для создания электроники, электродов и системной упаковки. Таким образом, длительное взаимодействие с человеческим организмом приводит к деградации материала имплантата и, в конечном итоге, к выходу системы из строя.
В равной степени опасна утечка небиологического материала в организм. Более того, имплантируемые системы по определению являются обязательством перед компаниями, работающими в этой области (т.е. инженерами, которые их разработали), в то время как общественное восприятие формируется ежедневными новостями, посвященными каким-либо проблемам [47]. Примерами поломок имплантатов, получивших широкое общественное внимание, являются утечки материала, используемого для создания грудных имплантатов [41], [42], и поломки тазобедренного сустава [48]. Последствия отказа имплантата могут быть такими же простыми, как временный дискомфорт, такой как замена сломанной нити накала, или смертельными для человека, например, выход из строя кардиостимулятора. Более того, в отличие от традиционных электронных систем, подверженных внешним атакам, в случае повреждения или компрометации имплантата в результате внешней кибератаки владелец не может просто удалить или остановить работу имплантата. Этот сценарий создает новые ограничения и вызовы для традиционных методов, используемых для защиты информационных технологий.
Объекты исследований - люди и животные
Развитие науки в целом и имплантируемых систем в частности всегда основывалось на использовании животных (мышей, собак, свиней) и людей (неизлечимо больных пациентов, военнопленных) в качестве испытуемых. В зависимости от страны этические и правовые нормы соблюдаются в разной степени [49]. Несмотря на то, что процесс этического одобрения (если он существует) является строгим, окончательная ответственность лежит на исследователях, участвующих в проекте [50]. Что касается подопытных животных, то большинство животных подвергают эвтаназии после их использования в эксперименте, что побуждает группы по защите прав животных возражать против использования подопытных животных. Аналогичным образом, в случае неизлечимо больных людей, таких как тот, который использовался в первом эксперименте с искусственным сердцем, общественная дискуссия о праве субъекта на смерть все еще широко открыта.
RFID-метки и конфиденциальность
Как только в 1998 году коммерческие RFID-метки (ныне повсеместные) были внедрены внутрь человеческого тела, открылось много новых возможностей, а также новых проблем. В более тривиальном приложении, вместо отслеживания перемещения коммерческих товаров, RFID-идентификаторы теперь обычно используются для отслеживания домашних животных с помощью имплантированных меток.
Ранняя демонстрация показала, что с имплантированной человеку RFID-меткой простая задача, такая как открытие входной двери компании и регистрация на стойке регистрации, будет просто выполняться с помощью внешней электроники. Не требовалось большого воображения, чтобы понять, что хранение личных данных и медицинской информации также может принести много пользы обществу. Например, в случае неотложной медицинской помощи вся необходимая медицинская информация о пациенте, находящемся без сознания, будет немедленно доступна медицинскому персоналу. После имплантации RFID-чип для всех практических нужд станет нашим всегда актуальным средством идентификации.
Контраргументы в пользу использования имплантированных RFID-меток начинаются с опасений по поводу потери конфиденциальности и возможного злоупотребления личной информацией, таких как отслеживание местоположения в режиме реального времени (уже возможно с помощью отслеживания местоположения по мобильному телефону, которое уже использовалось в качестве доказательства в суде) и целевой маркетинг. Проблема защиты частной информации в настоящее время является предметом активных исследований, направленных на разработку методов шифрования и защиты коммуникаций в этой чрезмерно ограниченной среде.
Кроме того, если имплантат воспринимается как часть нашего тела и если он сосуществует и совместно функционирует с биологическими органами, то при заражении имплантата компьютерным вирусом страдает и человек, носящий имплантат. В этом случае традиционная граница между машиной и человеком еще больше размывается [51].
Усовершенствованные люди и общество
Еще до Олимпийских игр 2012 года, когда “Бегущему по лезвию” разрешили соревноваться с “обычными” спортсменами, [А отрезавшему себе яйца мужику мутанту плавать с обычными женщинами] представления о возможных преимуществах за счет “искусственного улучшения” вызвали широкую дискуссию об этичности использования имплантируемых технологий для самосовершенствования [52]. Поднятый вопрос касается возможности того, что протезирование (тем более, если оно контролируется мозгом) может помочь “улучшенному человеку” превзойти номинальные человеческие показатели и, таким образом, дать ему “несправедливое преимущество”.
Противоположный аргумент заключается в том, что “усовершенствованный человек” (он же “бионический человек”) необходим для будущего развития человечества (например, для освоения космоса) [или для контроля над долбоёбом] и, возможно, даже для самого нашего выживания как вида. Безусловно, все события, описанные в предыдущих разделах, указывают на реальную возможность того, что некая форма “бионического человека” может быть не так уж далека.
Будущее
Предсказание будущего - это задача, которую инженеры обычно оставляют футурологам и писателям-фантастам [53]. Однако, как инженеры и ученые, мы черпаем вдохновение в работах футурологов и писателей и извлекаем выгоду из такого рода свободного мышления, которое стимулирует открытую академическую дискуссию обо всех возможных сценариях, которые могут развернуться в будущем. Например, если текущая тенденция увеличения доли имплантируемых технологий внутри человеческих тел сохранится и будет экстраполирована на не столь близкое будущее, то может возникнуть множество сценариев, включая радикальное нарушение нашего эволюционного пути.
На данный момент нам нравится читать или наблюдать за этими возможностями в научно-фантастических произведениях. Тем не менее, с течением времени достижения в области машинного обучения, имитирующего жизненные процессы [55], [56], в сочетании с разработками в области самовосстанавливающихся материалов [57] и разработкой бионической кожи [54], еще больше углубляют перспективу достижения полностью бионического пост-человеческого состояния.
Начало новой технологической революции
Несомненно, мы являемся свидетелями начала новой технологической революции, когда расстояние между машиной и человеческим телом стремительно сокращается с возможными далеко идущими последствиями. Параллельно с предыдущими промышленными/технологическими революциями, эта также инициировала социальные изменения в глобальном масштабе, которые заставили отдельных людей и общество в целом быстро адаптироваться к новому миру. Однако, в отличие от прошлого опыта, когда физические изменения были ограничены машинами [9], в то время как люди испытывали ‘только’ социальные изменения, на этот раз социальные изменения все еще здесь, но физические изменения значительно изменяют человеческое тело. Этот новый аспект - тот, который создает ненадежные перспективы для самого нашего выживания. Хотя будущее нам не дано увидеть, несомненно, что пессимисты просто вынесут на обсуждение историю Франкенштейна, в то время как оптимисты будут утверждать, что использование этой новой технологии - наш путь к выживанию как вида, наш путь к выходу за пределы Земли и даже к колонизации Вселенной с помощью эволюционирующие в “постлюдей”.
Как бы там ни было, эра “постлюдей” уже началась, и мы несем ответственность за то, чтобы контролировать ее ход.
Информация об авторе
Роберт Собот работает в ETIS, UMR 8051 ENSEA, Университет Сержи-Понтуаз - CNRS, Франция; электронная почта: robert.sobot@ensea.fr . Он также работает на факультете электротехники и вычислительной техники Западного университета, Лондон, Онтарио, Канада; электронная почта: rsobot@uwo.ca
Текущие исследования направлены на интеграцию трех основных элементов бионического протезирования ноги: искусственного бедра, колена и самой ноги. Системы BMI интегрированы с остальным оборудованием bionic leg, используя электрические сигналы мозга, поступающие к основанию оставшегося конца ноги, где размещен нейронный зонд для сбора сигналов и их электронной обработки.
Два механических элемента бионической ноги, колено и бедро, являются одними из наиболее часто имплантируемых устройств из-за постоянного трения в суставах, которое приводит к разрушению хрящей и костей. Замена этих двух механических имплантатов представляет собой значительную (и прибыльную) инженерную задачу, в то время как послеоперационные осложнения все еще могут быть связаны с серьезными рисками, которые в некоторых случаях могут привести к смерти пациента в течение первых 90 дней после операции (различные статистические данные находятся в открытом доступе).
Неинвазивный метод определения индекса массы тела
В отличие от глубоко инвазивных методов ИМТ с использованием имплантированных зондов и микросхем, которые находятся в непосредственном контакте с нейронами головного мозга, что обеспечивает лучшее соотношение сигнал/шум (SNR) и пространственное разрешение, неинвазивные методы электроэнцефалографии (ЭЭГ) применяют электроды снаружи на коже. Следовательно, SNR и пространственное разрешение значительно ухудшаются. В качестве контраргумента, электрические сигналы, проходящие под кожей, например, для управления движением глаз, относительно легко улавливаются и обрабатываются внешней электроникой, что делает этот подход подходящим для проектирования более простых систем управления ИМТ [22]. В последнее время появилось множество коммерческих приложений, использующих этот принцип в видеоиграх, медицине, военном деле и других областях.
Интерфейс "Мозг-машина" для нейронных действий
Помимо обнаружения действий, связанных с двигательной функцией, интерфейс нейронного зонда широко используется для подключения к другим областям мозга. А именно, доступ к внутренним областям мозга, подключение к слуховому нерву, а в последнее время и к зрительному нерву являются наиболее активными направлениями исследований в этом направлении. Ниже приведены три типичных примера немоторного BMI.
Глубокий стимулятор мозга
С 1987 года, когда А.Л. Бенабид [23] разработал метод глубокой стимуляции мозга для лечения болезни Паркинсона, область глубокой нейрохирургии головного мозга применяла этот метод для лечения хронической боли, глубокой депрессии и обсессивно-компульсивного расстройства. В последнее время также применяется для экспериментального лечения синдрома Туретта и других применений. Подобно другим инвазивным методам, этот метод также предполагает использование роботизированных нейрохирургических инструментов [24].
[Т.е. не устрнанение причины, а устранение последствий чипом в голову :)]
Улитковый
Считающийся одним из самых успешных коммерческих имплантатов на сегодняшний день, кохлеарный имплантат [25] используется в клинической практике с 1977 года. В традиционной установке микрофон и звуковой процессор монтируются снаружи. Затем используется беспроводной канал связи на короткие расстояния для передачи обработанной информации на внутренний имплантат, который отвечает за обеспечение надлежащего воздействия на электроды внутри улитки. Впоследствии электрически стимулированные слуховые нервы дополнительно позволяют мозгу интерпретировать поступающий звук. В самых современных системах диапазон слышимости человека делится на 16 каналов и до 22 электродов. Частотный диапазон оптимизирован для человеческого голоса, поэтому телефонная связь обычно не является проблемой для пользователя.
Однако в шумной обстановке возникает “эффект коктейльной вечеринки”, к которому наша естественная слуховая система хорошо адаптирована, но имплантат пока не способен справиться с этим. Таким образом, прослушивание классической музыки, например, все еще не совсем возможно с помощью кохлеарного имплантата (очевидно, лишь временно на данном этапе развития технологии). Некоторые из новейших систем слуховых аппаратов сообщают о заметном прогрессе в этой области [26].
В последних разработках, помимо дальнейшей миниатюризации, исследователи изучают другие механизмы стимуляции нерва улитки, например, с помощью серии лазерных импульсов во внутреннем ухе и оптоакустических эффектов [27].
Бионический глаз
Что может быть более чудесным, чем восстановление зрения слепого человека? Исследования в области зрительного протезирования проводятся по модели улиточного имплантата: внешняя камера используется для оцифровки изображения, которое затем обрабатывается электронным способом и используется имплантированными электродами для стимуляции сетчатки, затем оптический нерв передает информацию в мозг, который способен интерпретировать эти искусственно созданные сигналы как изображения с низким разрешением [28]. Современные экспериментальные бионические глазные системы используют тысячи электродов [29], создавая таким образом изображения, которые позволяют визуально отделить, например, профиль человека от профиля дома и некоторых других объектов, но с относительно низким разрешением черно-белых изображений. То есть для достижения разрешения, необходимого, например, для чтения книг, потребуется дальнейшее улучшение, по крайней мере, на порядок.
Следует отметить интересный и неочевидный сценарий, связанный с имплантатами, которые непосредственно стимулируют нервы человека. Электрические сигналы, стимулирующие улитку или сетчатку, генерируются электронной схемой. Иными словами, мозг не может знать происхождение принимаемых и интерпретируемых звуковых или видеосигналов. Другими словами, для всех практических целей звук и изображения могут даже не исходить из непосредственного окружения, вместо этого они могли быть искусственно синтезированы машиной, расположенной на другой планете. Таким образом, усовершенствованные люди могли бы испытывать “искусственную имплантированную реальность”, даже не подозревая об этом. Более того, в не столь отдаленном будущем у людей, использующих слуховые имплантаты, оснащенные “языковым переводчиком”, может сложиться впечатление, что они разговаривают с другим человеком на своем родном языке. Но вместо этого они могут быть не в состоянии узнать, было ли исходное сообщение переводом в режиме реального времени с другого языка или нет. Эти ставшие теперь реалистичными сценарии открывают возможности, которые все еще являются предметом научной фантастики, однако нет никаких фундаментальных физических препятствий, препятствующих их реализации [9].
[Т.е. вас можно будет наебать, а вы даже не заметите :)]
Сердечно-сосудистые имплантаты
Регистрация электрической активности сердца стала возможной благодаря изобретению электрокардиографии (ЭКГ) в 1903 году, которая позволила использовать многие аспекты современной сердечно-сосудистой медицины. Само сердце было одним из первых органов, получивших пользу от имплантируемой технологии. Понимание механики жидкости и физиологии сердца позволило провести первые операции по имплантации искусственного сердечного клапана с использованием внешнего кардиостимулятора в 1951-1952 годах [30].
В то же время велась разработка транзистора, что в конечном итоге позволило создать полностью имплантируемые электронные устройства. Эта новая возможность была быстро использована для разработки полностью имплантируемого кардиостимулятора, впервые протестированного на животных в 1958 году, за которым последовала первая успешная операция на человеке в 1960 году, что сделало кардиостимулятор первым имплантируемым электронным устройством [2]. Его последующая разработка стимулировала исследования в области биосовместимых материалов, электродов и перезаряжаемых легких батарей. Современные кардиостимуляторы часто интегрированы с дефибриллятором, функция которого заключается в восстановлении сердцебиения в случае остановки сердца.
После ряда экспериментов на животных в 1982 году была проведена широко разрекламированная и противоречивая первая имплантация искусственного сердца человеку [31]. Сегодня это устройство чаще всего используется в качестве внешнего насоса. Процедура 1982 года продлила жизнь испытуемого на 112 дней [32], в течение этого времени он страдал и несколько раз просил позволить ему умереть. [клево быть подопытной свинкой!] Общедоступные данные разнятся; однако, похоже, что с 1969 по 5 сентября 2014 года было проведено 1333 имплантации искусственного сердца с использованием 13 различных конструкций, и, согласно Книге рекордов Гиннесса, самый долгоживущий пациент прожил почти 7,5 лет. Искусственное сердце по-прежнему в основном используется для увеличения времени ожидания пациентов, которым требуется замена сердца, поскольку список потенциальных доноров сердца намного короче, чем список ожидающих пациентов. Но споры об этических, юридических, моральных и финансовых вопросах все еще очень жаркие и нерешенные. Случай с первым искусственным сердцем иллюстрирует многочисленные нетехнические противоречия.
Имплантируемые системы - поистине мультидисциплинарная технология
Замечательной особенностью имплантируемых систем и устройств является то, что они представляют собой по-настоящему междисциплинарные системы, которые требуют сотрудничества множества научных, инженерных и социальных областей с общей целью дальнейшего развития. Необходимо учитывать общие требования безопасности, надежности, использования пациентами, нормативные соображения и общественное признание. Следующие примеры иллюстрируют широкий аспект этого исследования.
Системы доставки лекарств и лаборатории на чипе
Медикаментозное лечение почти всегда предполагает применение лекарственного средства, которое должно быть доставлено в определенную область тела и в определенное время. Быстрое развитие технологий IC и MEMS естественным образом привело к тому, что имплантируемая технология стала рассматриваться как эффективное средство доставки лекарств [33]. Параллельно с другими имплантируемыми системами целью системы доставки лекарств является введение лекарств в течение длительных периодов времени, так что они вводятся либо периодически, либо по запросу. Таким образом, современные сложные имплантируемые электромеханические системы получают питание и электронное управление [34], интегрируются с устройствами микрофлюидики [35], в то же время исследуются все аспекты сложных лабораторных систем на чипе [36], [37].
[Это мне напомнило анекдот как Американцы истратили 100 миллионов для того чтобы изобрести ручку, которая писала бы в космосе, а русские просто взяли карандаш.
С другой стороны это клёвое изобретениа для наёбок неподосревающих пОциентов, которые будут находиться в измененном сознании или без сознания.]
Как показано в In Shadow
Контактные линзы
Хотя впервые это временно инвазивное устройство было задумано Леонардо да Винчи, оно нашло более широкое применение после разработки первой пластиковой линзы в 1948 году, и сегодня, по оценкам, им пользуются более 125 миллионов человек по всему миру, создавая таким образом рынок стоимостью более 6 миллиардов долларов США. Это устройство используется как в медицинских (для улучшения зрения), так и в косметических (для изменения цвета глаз и внешнего вида) целях. Что касается цветных косметических средств для глаз, то в некоторых странах их использование запрещено. Однако общая простота, безопасность (при условии правильного использования и чистки) и широкое распространение рецептурных линз побудили разработать “умные” или иногда называемые “бионическими” контактные линзы, которые включали бы микроэлектронные технологии для встраивания гибкой электроники [38] для выявления диабета или глаукомы, или для обеспечения расширенного зрения [39].
[А нюх, как у собаки; а глаз, как у орла; найду я даже прыщик на жопе у слона.]
Грудные имплантаты
Грудные имплантаты - это технология постоянной имплантации, которая изначально предназначалась для реконструкции груди после мастэктомии. Однако с 19 века грудные имплантаты стали использоваться как в медицинских, так и в косметических целях. Согласно отчету Global Market Research за 2014-2015 годы, доля грудных имплантатов на мировом рынке оценивается более чем в 1 миллиард долларов США, в основном из-за увеличения числа косметических операций. Однако эта относительно зрелая хирургическая процедура получила широкую огласку из-за послеоперационных осложнений, связанных с безопасностью материала, используемого для имплантата [40]. Следовательно, как этические [41], так и юридические [42] материалы публикуются даже в инженерных журналах в попытке повысить осведомленность инженеров об этих нетехнических последствиях и проблемах. Однако современные исследования включают интеграцию грудных имплантатов с системами доставки лекарств и мониторинга [43].
Общество, наука, техника и искусство
Личное и общественное признание ношения видимых протезов, по-видимому, развивается в хорошем направлении, судя по распространению информации и изображений, размещаемых в социальных сетях для общественного потребления. На нескольких показах мод и в журналах уже были представлены “Бионические модели” и музыкальные исполнители, иногда демонстрирующие электронную кожу [44] и электронные татуировки. Социальная новизна этих проявлений наиболее очевидна, потому что в этих перформансах сопутствующее протезирование используется не как неизбежное зло, а как творческое визуальное и художественное высказывание [45].
[Проталкивают повесточку о том что мутанты - это искусство. Нет не искусство. А просто слабоумные мутанты. ]
SLi-аккумулятор и сбор энергии
Мобильные устройства, включая имплантируемые системы, поставили перед исследовательским сообществом новую проблему: как обеспечивать питание этих устройств в течение длительных периодов времени, учитывая ограничения в пространстве и энергопотреблении? Первое и наиболее очевидное направление исследований заключается в снижении энергопотребления устройства. После разработки транзисторных и КМОП-микросхем в этой области был достигнут значительный прогресс. Более агрессивный подход заключается в одновременном уменьшении веса и объема батарей. Иными словами, существует постоянная потребность в легких материалах с высокой плотностью энергии, которые можно было бы использовать для создания имплантируемых батарей. После изобретения литиевой батареи в 1973 году имплантируемые устройства получили подходящий источник энергии, который, несмотря на все усилия, с тех пор практически не изменился. Поэтому исследования в области альтернативных методов доставки энергии к имплантатам, где и когда это необходимо, были сосредоточены в основном на методах сбора энергии [3], [9].
Недавно опубликованные исследования в области глюкозных биотопливных элементов указывают на новое направление, которое может обеспечить следующий революционный этап в питании имплантируемых устройств [46].
Сбои в работе имплантатов и споры
Будучи электромеханическими системами и все еще находящимися в стадии разработки, имплантируемые системы неизбежно подвержены различным типам отказов. Ошибки проектирования и технологические ограничения, безусловно, приводят к неизбежным и типичным отказам, главным образом потому, что биосреда внутри живого существа вызывает коррозию небиологических материалов, используемых для создания электроники, электродов и системной упаковки. Таким образом, длительное взаимодействие с человеческим организмом приводит к деградации материала имплантата и, в конечном итоге, к выходу системы из строя.
В равной степени опасна утечка небиологического материала в организм. Более того, имплантируемые системы по определению являются обязательством перед компаниями, работающими в этой области (т.е. инженерами, которые их разработали), в то время как общественное восприятие формируется ежедневными новостями, посвященными каким-либо проблемам [47]. Примерами поломок имплантатов, получивших широкое общественное внимание, являются утечки материала, используемого для создания грудных имплантатов [41], [42], и поломки тазобедренного сустава [48]. Последствия отказа имплантата могут быть такими же простыми, как временный дискомфорт, такой как замена сломанной нити накала, или смертельными для человека, например, выход из строя кардиостимулятора. Более того, в отличие от традиционных электронных систем, подверженных внешним атакам, в случае повреждения или компрометации имплантата в результате внешней кибератаки владелец не может просто удалить или остановить работу имплантата. Этот сценарий создает новые ограничения и вызовы для традиционных методов, используемых для защиты информационных технологий.
Объекты исследований - люди и животные
Развитие науки в целом и имплантируемых систем в частности всегда основывалось на использовании животных (мышей, собак, свиней) и людей (неизлечимо больных пациентов, военнопленных) в качестве испытуемых. В зависимости от страны этические и правовые нормы соблюдаются в разной степени [49]. Несмотря на то, что процесс этического одобрения (если он существует) является строгим, окончательная ответственность лежит на исследователях, участвующих в проекте [50]. Что касается подопытных животных, то большинство животных подвергают эвтаназии после их использования в эксперименте, что побуждает группы по защите прав животных возражать против использования подопытных животных. Аналогичным образом, в случае неизлечимо больных людей, таких как тот, который использовался в первом эксперименте с искусственным сердцем, общественная дискуссия о праве субъекта на смерть все еще широко открыта.
RFID-метки и конфиденциальность
Как только в 1998 году коммерческие RFID-метки (ныне повсеместные) были внедрены внутрь человеческого тела, открылось много новых возможностей, а также новых проблем. В более тривиальном приложении, вместо отслеживания перемещения коммерческих товаров, RFID-идентификаторы теперь обычно используются для отслеживания домашних животных с помощью имплантированных меток.
Ранняя демонстрация показала, что с имплантированной человеку RFID-меткой простая задача, такая как открытие входной двери компании и регистрация на стойке регистрации, будет просто выполняться с помощью внешней электроники. Не требовалось большого воображения, чтобы понять, что хранение личных данных и медицинской информации также может принести много пользы обществу. Например, в случае неотложной медицинской помощи вся необходимая медицинская информация о пациенте, находящемся без сознания, будет немедленно доступна медицинскому персоналу. После имплантации RFID-чип для всех практических нужд станет нашим всегда актуальным средством идентификации.
Контраргументы в пользу использования имплантированных RFID-меток начинаются с опасений по поводу потери конфиденциальности и возможного злоупотребления личной информацией, таких как отслеживание местоположения в режиме реального времени (уже возможно с помощью отслеживания местоположения по мобильному телефону, которое уже использовалось в качестве доказательства в суде) и целевой маркетинг. Проблема защиты частной информации в настоящее время является предметом активных исследований, направленных на разработку методов шифрования и защиты коммуникаций в этой чрезмерно ограниченной среде.
Кроме того, если имплантат воспринимается как часть нашего тела и если он сосуществует и совместно функционирует с биологическими органами, то при заражении имплантата компьютерным вирусом страдает и человек, носящий имплантат. В этом случае традиционная граница между машиной и человеком еще больше размывается [51].
Усовершенствованные люди и общество
Еще до Олимпийских игр 2012 года, когда “Бегущему по лезвию” разрешили соревноваться с “обычными” спортсменами, [А отрезавшему себе яйца мужику мутанту плавать с обычными женщинами] представления о возможных преимуществах за счет “искусственного улучшения” вызвали широкую дискуссию об этичности использования имплантируемых технологий для самосовершенствования [52]. Поднятый вопрос касается возможности того, что протезирование (тем более, если оно контролируется мозгом) может помочь “улучшенному человеку” превзойти номинальные человеческие показатели и, таким образом, дать ему “несправедливое преимущество”.
Противоположный аргумент заключается в том, что “усовершенствованный человек” (он же “бионический человек”) необходим для будущего развития человечества (например, для освоения космоса) [или для контроля над долбоёбом] и, возможно, даже для самого нашего выживания как вида. Безусловно, все события, описанные в предыдущих разделах, указывают на реальную возможность того, что некая форма “бионического человека” может быть не так уж далека.
Будущее
Предсказание будущего - это задача, которую инженеры обычно оставляют футурологам и писателям-фантастам [53]. Однако, как инженеры и ученые, мы черпаем вдохновение в работах футурологов и писателей и извлекаем выгоду из такого рода свободного мышления, которое стимулирует открытую академическую дискуссию обо всех возможных сценариях, которые могут развернуться в будущем. Например, если текущая тенденция увеличения доли имплантируемых технологий внутри человеческих тел сохранится и будет экстраполирована на не столь близкое будущее, то может возникнуть множество сценариев, включая радикальное нарушение нашего эволюционного пути.
На данный момент нам нравится читать или наблюдать за этими возможностями в научно-фантастических произведениях. Тем не менее, с течением времени достижения в области машинного обучения, имитирующего жизненные процессы [55], [56], в сочетании с разработками в области самовосстанавливающихся материалов [57] и разработкой бионической кожи [54], еще больше углубляют перспективу достижения полностью бионического пост-человеческого состояния.
Начало новой технологической революции
Несомненно, мы являемся свидетелями начала новой технологической революции, когда расстояние между машиной и человеческим телом стремительно сокращается с возможными далеко идущими последствиями. Параллельно с предыдущими промышленными/технологическими революциями, эта также инициировала социальные изменения в глобальном масштабе, которые заставили отдельных людей и общество в целом быстро адаптироваться к новому миру. Однако, в отличие от прошлого опыта, когда физические изменения были ограничены машинами [9], в то время как люди испытывали ‘только’ социальные изменения, на этот раз социальные изменения все еще здесь, но физические изменения значительно изменяют человеческое тело. Этот новый аспект - тот, который создает ненадежные перспективы для самого нашего выживания. Хотя будущее нам не дано увидеть, несомненно, что пессимисты просто вынесут на обсуждение историю Франкенштейна, в то время как оптимисты будут утверждать, что использование этой новой технологии - наш путь к выживанию как вида, наш путь к выходу за пределы Земли и даже к колонизации Вселенной с помощью эволюционирующие в “постлюдей”.
Как бы там ни было, эра “постлюдей” уже началась, и мы несем ответственность за то, чтобы контролировать ее ход.
Информация об авторе
Роберт Собот работает в ETIS, UMR 8051 ENSEA, Университет Сержи-Понтуаз - CNRS, Франция; электронная почта: robert.sobot@ensea.fr . Он также работает на факультете электротехники и вычислительной техники Западного университета, Лондон, Онтарио, Канада; электронная почта: rsobot@uwo.ca