Вокруг Света - Вокруг Света 2006 №05
Что же дальше? На что будут похожи эти «гибриды», которые заменят нынешние неуклюжие протезы (не приходится сомневаться, что спустя полвека даже искусственные лодыжки Герра будут казаться довольно архаичным устройством), и не превратится ли человек в киборга? Несомненно, в какой-то степени превратится. Понятие «cyb(ernetic) org(anism)», сокращенное до звучного слова «киборг», придумал в 1960 году специалист по космической медицине (что не случайно) Манфред Клайнс. В принципе достаточно снабдить человека искусственным стимулятором сердца — вот вам, пожалуйста, и киборг, полюбуйтесь. Ведь нет никакой критичной разницы между одним вживленным искусственным органом и десятью, и тем, внутренние они будут или внешние.
Вехи цивилизации
История протезов сравнима с историей человеческой цивилизации. По свидетельствам археологов, еще в неолите люди стали изготавливать зубные протезы из подходящих по размеру обточенных камней, костей, кусочков дерева и прочих материалов. Впрочем, зубной протез — дело относительно несложное по сравнению с протезированием активных частей тела. Благодаря стараниям тех же археологов стало известно, что профессия ортопеда, то есть специалиста, занимающегося лечением опорно-двигательного аппарата человека, может быть, как это ни удивительно, одной из древнейших. Так, в 2002 году в Египте была представлена публике редкая находка — деревянный протез большого пальца ноги, изготовленный еще в правление фараона XVIII династии Аменхотепа II (середина XV века до н. э.). Сам протез был найден десятью годами ранее в одной из гробниц Долины Царей близ Луксора и все эти годы тщательно исследовался специалистами. Протез пальца выточен из дерева и включает в себя специальную кожаную муфту, с помощью которой он крепился к ноге. Специалисты считают, что устройство выполняло не только эстетическую функцию, но и помогало человеку удерживать равновесие при ходьбе. Иными словами, еще три с половиной тысячи лет назад человек, не собираясь мириться с потерей некоторых жизненно важных функций тела, пытался синтезировать их с помощью подручных материалов. Впрочем, археологи находили и более древние «активные» протезы. Так, в 2001 году исследователи, работавшие в Египетском музее Каира, идентифицировали в некоем экспонате, до этого десятилетиями пылившемся в запасниках и не вызывавшем ничьего интереса, остатки протеза правой руки. Достаточно сложное устройство было изготовлено, видимо, для какого-то высокопоставленного пациента примерно во времена основателя III династии фараона Джосера (2780—2760 годы до н. э.). По своей функциональности оно превосходит даже ряд современных образцов. Этот протез, крепившийся к телу с помощью системы кожаных ремней, вполне позволял владельцу производить рукой ряд основных движений. Часть ремней играла роль сухожилий, «передавая» на руку «команды». Скажем, сгибанием левой ноги в колене можно было вызвать сгибание руки в локтевом суставе, а поворот тела вправо и влево вызывал сгибание и разгибание кисти. Чем ближе к нашему времени, тем больше свидетельств о все более широком употреблении протезов. Геродот, например, упоминал о некоем Гегесистрате, который в VI веке до н.э. сделал себе деревянный ножной протез и служил в персидской армии; Плиний сообщает о полководце, который, потеряв руку во время второй Пунической войны (III век до н. э.), заменил ее железной рукой, способной удерживать щит. Правда, с тех пор никаких серьезных прорывов в искусстве ортопеда не случилось — протезы в основном оставались «пассивными», неподвижными. Прогресс начался лишь в Новое время. В 1552 году известный врач и ученый Амбруаз Паре изготовил подвижный протез ноги с коленным шарниром и замком. Примерно тогда же неизвестный мастер сделал железный протез руки для рыцаря Геца фон Герлихингена (Германия), в котором четыре пальца (кроме большого) были подвижны и позволяли прекрасно управляться с предметами и осуществлять различные действия. Если для XVI века это был единичный шедевр, то уже в начале XIX века в Британии и Голландии регистрируются патенты на ножные протезы со сгибающимися коленными и голеностопными шарнирами (Д. Поте), на ручные с «работающими» пальцами (ван Петерсен) и другие.
Любопытным исследованием занимается группа известного американского изобретателя Стивена Джейкобсена, основателя компании Sarcos (он же, кстати, до этого проектировал роботизированные протезы руки и, как ни странно, знаменитые «танцующие» фонтаны отеля «Белладжио» в Лас-Вегасе). Компания Sarcos стоит на пороге промышленного изготовления робокостюмов. Конечно, ее работа финансируется военными ведомствами: только представьте себе возможности суперсолдат, суперспасателей и их десятикратно усиленные мышцы! Однако ясно, что такими робокостюмами с удовольствием воспользуются и люди, лишенные возможности передвигаться самостоятельно. Для слаженной работы всего механизма требуется несколько сложных сенсоров в каждом суставе и под голеностопом. Сенсоры приводят в действие гидравлическую систему, исполняющую роль мышц. Надевшему такой костюм человеку надо лишь слегка напрягать мышцы, и при этом он сможет легко балансировать на одной ноге с центнером груза за спиной: вся нагрузка практически придется на «мышцы» и стальные ноги робота, надеваемого, как костюм.
В том же направлении движется и Йошиюки Санкаи, профессор Университета Цукуба (Япония). Он готовится к массовому производству разработанного им мускульного усилителя, чем-то напоминающего костюм от Sarcos. Устройство это предназначено для помощи людям с ослабленными болезнью или врожденными дефектами мышцами. Робокостюм обнаруживает напряжение тех или иных групп мышц, передавая соответствующие команды на «мускулы» экзоскелета. Механический каркас, с установленными в коленях и вокруг пояса двигателями, плавно перемещает ноги пользователя в соответствии с его желанием. Скорость этого «протеза», правда, невелика.
Вообще основным камнем преткновения в таких разработках остаются как раз «мышцы» и питание. Нынешние приводы громоздки, медленны и потребляют слишком много энергии. Поэтому отдельное перспективное направление, которое быстро сольется с биомехатроникой, — разработка искусственных мышц. Хорошие искусственные мышцы могли бы заменить половину существующих на планете электромоторов (а их сейчас — уже многие миллиарды). Инженеры уже разрабатывают устройства, работающие от искусственных мышц, в том числе наколенники, предотвращающие ушибы, небольшие насосы для дозировки лекарств, а также роботов, которые извиваются, как змеи, летают, как птицы, или прыгают, как кузнечики. Но ряд исследователей возлагают на этот материал и другие надежды: заменить ими… натуральные человеческие мышцы. В середине прошлого года на ежегодной научной конференции в Сан-Диего три университетские команды выставили на соревнования по армрестлингу между роботом и человеком недурные образцы искусственных мышц. Однако роботы все равно проиграли вчистую — к сожалению, даже лучшее из того, что пока может предложить инженерная мысль, не может сравниться с человеческой мышцей, которой любой биоинженер даст высочайшую оценку и перечислит длинный список достоинств. Первое и главное — это сила. «Средняя» мышца бедра может произвести усилие (3 кг силы на см2 своего сечения), достаточное, чтобы сломать сосновую парту. За силой следует мощность — отношение работы к промежутку времени, в течение которого она совершена. Как в автомобилях, высокая мощность приводит к большим скоростям, а у стандартной скелетной мышцы КПД куда выше, чем у стандартного автомобильного двигателя. Мышцы также действуют как тормоза, пружины и амортизаторы. Вот почему мы, в отличие от обычного робота, можем бегать, прыгать и мягко приземляться. Пока искусственным мышцам далеко до естественных, но они уже существуют. В конце концов, первый космический полет тоже длился совсем недолго. Но мышцы — это еще далеко не все.
