Протез обретает чувства: обратная связь через биотоки
Железная рука Гёца фон Берлихингена.
Риск утраты конечности или возможность выжить после её потери - оптимисты и пессимисты легко могут выбрать нужное - сопровождают человечество с пещерных времён, кажется, ещё с «несостоявшегося человечества» неандертальцев. И примерно с тех же времён ведут свой род попытки как-то компенсировать потерянную руку или ногу. А сейчас благодаря развитию информационных технологий протез приобретает некоторые свойства, ранее присущие лишь живой материи, обзаводится чувствами.
Если спросить человека, какой протез ему больше всего известен, это будет очень интересным тестом. Взращённые на интеллектуальных сокровищах Голливуда, естественно, назовут инструмент капитана Крюка. Ну а тем, кому пришлось воспитываться на старой европейской культуре, придётся вспомнить железную руку Геца фон Берлихингена. (Сам имперский рыцарь, наёмник ремеслом, без которого не могла обойтись ни одна современная ему резня, - герой одноимённой трагедии Гёте; ну а руке как таковой посвятил блистательный рассказ, один из лучших в жанре ужасов, Жан Рэй.)
Сама легендарная рука существовала в действительности (её остатки нашли в конце девятнадцатого века - кажется, в монастырских кладовых) и представляла собой блистательный образец хайтека шестнадцатого столетия. Смастерили её тогдашние кузнецы-оружейники, используя привычные им технологии латных рукавиц и арбалетных пружин. Рука имела неподвижный большой палец и попарно двигающиеся четыре остальных. Их приводили в движение и фиксировали рычажки на запястье, которыми приходилось управлять другой, естественной рукой…
И, несмотря на минувшие полтысячелетия, современные искусственные руки - даже дорогие и высокотехнологичные - остаются очень похожими на протез Гёца фон Берлихингена. Нет, они, конечно, в соответствии с пацифистским духом времени, избавились от облика боевой рукавицы и обтянулись искусственной кожей, очень смахивающей на натуральную. Каркас у них не из кричного железа, а из титана и углепластика. Суставы имеют куда больше степеней подвижности и фиксируются куда удобнее. Но это по-прежнему всего лишь инструмент индустриальной эпохи.
Почему индустриальной? А какое свойство самым первым выделяли классики кибернетики? Да способность к управлению и связи, если вспомнить популярную некогда книжку Винера. К управлению, естественно, по сигнальному каналу - как мы переключаем каналы в телевизоре с пульта, а не так, как направляем молоток к соприкосновению с гвоздём. И связь - прежде всего обратная. Мы знаем, где и в каком положении находится наша кисть, и, с некоторым навыком, можем чувствовать также, откуда и куда движется привычный нам молоток.
Такую способность дают присутствующие в наших конечностях нервы. Они исполняют и функции управления мышцами и возвращают мозгу сигналы обратных связей о положении и состоянии конечностей. То, чего в протезах доселе не было. Даже в тех чудесах из углепластика ценой в тридцать тысяч евро, под именем Cheetah Flex-Foot от фирмы Össur, которые позволили Оскару Писториусу покинуть ряды параолимпийцев и соревноваться с обычными атлетами. Это такие же устройства, как и те, что мастерили столяры античности, хоть и сделанные из другого материала.
У них нет управления по каналу от мозга и нет обратных связей. Обратим внимание: в полноценном протезе должны присутствовать обе составляющие. Дело в том, что снимать биотоки и преобразовывать научились очень давно; скажем в 1960 году в журнале «Радио» (№11, с. 37-39), была опубликована статья д. т. н. А. Кобринского «Биоэлектрические системы управления», где даже приводились принципиальные схемы устройств для преобразования биоэлектричества в управляющие сигналы для сервомеханизмов, аж целых восемь транзисторов на канал.
Биоэлектронная схема управления образца 1960 года на восьми транзисторах.
Так что управлять протезом с помощью биотоков человек мог бы уже и тогда. Ну, по меньшей мере теоретически… Не надо забывать о проблемах заводской и эксплуатационной настройки устройств на аналоговой электронике; не надо забывать о габаритах смен на тогдашних дискретных элементах, да и об их стоимости: очень небедные США и ФРГ чуть позже отказались от создания танка MBT-70, который на даже более поздней электронной элементной базе получался слишком дорогим. Это сейчас, в цифровую эру, лазерный дальномер с баллистическим вычислителем прижился в рюкзаке охотника...
Но вот до самого последнего времени возможности обеспечить обратную связь в электронно-управляемых протезах не было. Вот простейший приём, который следует исполнить, попав в ДТП, даже если в машине просто сработали подушки безопасности. Надо с закрытыми глазами потрогать обеими руками кончик носа и мочки ушей… Если получается - нормально, можно договариваться с гайцами, звать эвакуатор... Если нет, надо срочно обращаться к медикам (у которых процедура обзывается диадохокинезис и служит для оценки обратных связей).
А вот теперь специалисты из Кливлендского медицинского центра по делам ветеранов (Cleveland Veterans Affairs Medical Center) и Западного резервного университета Кейса (Case Western Reserve University) успешно решили задачу создания протеза руки, наделённого органами чувств и обеспечивающего обратную связь по двадцати контурам, от двадцати точек. Ну а говорить, что протез управляется от биотоков, излишне: это, как мы видели, было доступно технологиям полувековой давности.
А теперь к первой части кибернетической формулы - управлению - добавляется и вторая часть, обратная связь. Осуществляется она через импланты. На
видео, снятом несколько недель назад, показано, как обращается с киберпротезом 48-летний рабочий. Три года назад при штамповке авиационных деталей он лишился правой руки. Теперь же ему вживлены три импланта, взаимодействующих с пучками периферических нервов. Через них цифровые датчики передают сигналы о нагрузках, с которыми сталкивается искусственная рука, и о положении механической конечности.
Как видим, точность достигается весьма приличная: железная рука очень даже нежненько обходится с плодоножками вишенок. И, что самое главное, эффект обратной связи, достигнутый в этом эксперименте, вполне стабилен, два протеза функционируют уже более полутора лет. Это заметный успех. Дело в том, что попытки воспроизведения биологических обратных связей электронным путём предпринимались и раньше. При этом сигнал подавался непосредственно в аксон нерва. Эффект достигался, нерв реагировал на самые слабые сигналы, но ненадолго.
Дальше наступала деградация нервных тканей под воздействием электрического тока! А мы же тут имеем дело с людьми - которых не станешь постоянно перемонтировать для вживления электрода в следующий кусок целого пока что нерва… Так что в описываемых экспериментах пошли другим путём. Кливлендские специалисты пожертвовали в некоторой степени разрешающей способностью и коэффициентом передаче по контуру, подавая сигнал не на сам аксон, а на окружающие его клетки, которые защищают нерв от негативных последствий электрической стимуляции.
Пока что результаты обнадёживают. Длительный срок функционирования имплантов, достаточно высокая точность работы протезов. Игорь Спетик (Igor Spetic), чья кибернетическая десница ловко управляется с вишнями, очень рад и обретённым вновь возможностям, и тому, что его опыт послужит и другим людям. Конечно, при настройке столь нового, столь необычного устройства выявляются и проблемы. Скажем, пальцы ощущаются не на том месте, где они находятся фактически. И фактура поверхности может распознаваться не такой, какая есть…
Но без таких проблем не обойтись. Скажем, об эксперименте очень положительно отзывается глава Отделения нанонаук в Медико-инженерном институте Флоридского университета Джек Джуди (Jack Judy). И чрезвычайно интересно, чем мистер Джуди занимался до этого. Дело в том, что он, работая программ-менеджером в Агентстве перспективных исследований Пентагона, запустил там программу Re-Net разработки нервно-машинных интерфейсов, в первую очередь предназначенную для управления протезами.
Да-да, традиции Гёца фон Берлихингена живут и побеждают. Маленькие победоносные войны США в Ираке и Афганистане обернулись для 1715 джи-ай утратой конечностей. Поэтому Управление по делам ветеранов, ведомство в высшей степени могущественное и состоятельное, и озаботилось этой технологией, которая в ближайшие пять-десять лет может быть доведена до массового использования. Ну и не будем забывать о гуманитарном аспекте данной проблемы, о том, что ещё неандертальцы заботились о своих родичах, потерявших конечность, - конечно, в меру доступных им технологий.
По материалам