Ставропольские ученые разработали собственную технологию создания бионических протезов — устройств, способных улавливать нервные импульсы. Искусственные «руки» изготовлены при помощи 3D-печати, они дешевле и немного легче существующих аналогов. В начале лета планируется передать тестовые образцы первым владельцам, которые опробуют новинку.

3D-печать для медицины
Инициаторами проекта создания современных протезов в Ставрополе стали молодой ученый Артем Мишвелов и студентка медицинской биохимии Кристина Нужная. В рабочем кабинете начинающего биоинженера Мишвелова окружают компьютерная техника, искусственные (пластиковые) человеческие органы и пластиковые трубочки-сосуды. Почки и сердца сделаны на 3D-принтерах по итогам компьютерной томографии реальных пациентов, «фантомные» органы могут стать пособием для студентов и подспорьем для практикующих медиков.

«Они используются, в том числе, в медицинской практике. С помощью таких органов можно пробно провести необходимые манипуляции перед конкретной операцией, хирург может посмотреть этапы не только виртуально, но и физически, — объясняет Артем, держа в руках очень правдоподобную «фантомную» почку. — Можно перед операцией также показать пациенту, что именно будет происходить».

Рабочих мест у биоинженера несколько — он представляет Студенческое конструкторское бюро компьютерного моделирования живых систем Северо-Кавказского федерального университета, возглавляет лабораторию 3D-печати в Ставропольском государственном медицинском университете, руководит центром кибермедицины и прототипирования «Кибермед».

Эта команда при поддержке ставропольской администрации, выделившей грант, и в сотрудничестве с протезным предприятием разработала тестовые образцы троссевых и бионических протезов рук, которые вскоре передадут пациентам.

Хватка «Железного человека»
Первые образцы протезов кистей рук Артем демонстрировал еще летом 2017 года на молодежном форуме «Машук». Тогда протез был троссевым — легкая кисть на пластиковой основе, большинство деталей распечатаны на 3D-принтере, простота создания деталей позволяла менять их легко и без серьезных затрат, управляется такая рука движением мышц, чуть сгибается локоть — сжимается рука, и так далее. Но функциональные возможности таких протезов скромные: можно взять ручку двери, поднять кружку, с мелкой моторикой уже сложнее.

«Тогда бионические протезы у нас были только в стадии технической проработки. В итоге стало ясно, что они более удобны и востребованы, поэтому акцент сделали на бионических протезах», — поясняет ученый. Новый акцент в сравнении со старым выглядит, как трехколесный велосипед рядом со спортивным, — суть одна, но возможности совершенно разные.

Бионические протезы больше похожи на руки роботов из фантастических фильмов. «В них используются датчики электромиографии, то есть считываются сигналы мышц, они поступают в микрокомпьютер на протезе, и рука сжимается», — объясняет Мишвелов. Датчики расположены на специальной манжете, в арсенале протеза порядка 20 движений, например, есть возможность работать с компьютерной мышкой — указательный палец может кликать.

Дизайн тестовых образцов простой, главное — проверить работоспособность. В будущем появится возможность изготавливать коммерческие прототипы в соответствие с интересами человека. «Сейчас два человека с нами сотрудничают, мы нашли их через протезное предприятие. Пока мы делаем тестовые варианты, потом уже можно будет говорить о каком-то дизайне, хоть цветочки наносить, хоть делать руку как у героев фильмов, например, Железного человека и так далее», — отметил биоинженер.

Первые тестовые протезы рук будут переданы двум владельцам, им предстоит опробовать на себе их удобство, плюсы и минусы. Это позволит отрегулировать работу протезов, исключить возможные недостатки перед коммерческим запуском проекта. В будущем авторы проекта также планируют сотрудничество с протезным предприятием, при необходимости люди смогут выбрать, что им предпочтительнее — обычные протезы или бионические.

Скорость и простота
Каждый протез, даже самый простой, изготавливается индивидуально под человека — новая рука или нога должна упрощать жизнь, а не делать ее сложнее. В итоге работа проходит этапы обмеров, изготовления, обучения обращению с протезом, весь процесс современные технологии могут свести к одной неделе.

«Это может быть достаточно быстро — распечатка [необходимых деталей на 3D-принтере], индивидуальная настройка, обучение. В среднем, может уйти неделя, в каких-то случаях медленнее, или даже быстрее», — перечисляет ученый.

Производство достаточно мобильное, при необходимости можно даже выехать к человеку на обмеры, громоздкое оборудование в процессе не участвует. «Это персонализированная работа, производственных линий здесь не нужно. В нашем случае — несколько 3D-принтеров, инженер и биодизайнер, 3D-сканер, участие протезного предприятия и все», — поясняет Мишвелов.

Оптимизация процесса позволяет делать протезы дешевле и чуть легче весом, чем существующие аналоги. «Они дешевле за счет 3D-печати, меньше используется затратной электроники, меньше дорогих компонентов, которые приходится закупать. При создании части элементов сейчас используют литье, металлические конструкции, это удорожает процесс и делает руку чуть тяжелее, хотя это и не критично», — отметил инициатор проекта.

Умные руки
Ставропольские ученые при создании протезов разработали собственную конструкцию, дизайн, миобраслет (манжету с датчиками), программное обеспечение. Такие руки постепенно можно сделать «умными» — они сами будут совершать в нужных ситуациях определенные действия. «Эту возможность могут дать нейронные сети или машинное обучение, то есть процесс будет самостоятельным, к примеру, приближаясь к компьютерной мыши кисть будет сжимать ее автоматически», — поясняет ученый.

Такие технологии, к примеру, помогут людям при атрофии мышц, либо пациентам, которые лишились значительной части руки или ноги — достаточных мышц для считывания и моделирования движений мало. Сам Артем рассказывает, что работа над совершенствованием протезов продолжится — они могут стать эргономичнее и умнее.

«Будем дальше работать над протезами с нейронными сетями, возможностью передачи тактильных ощущений. Есть возможность расположить датчики, например, на подушечках пальцев. Человек дотрагивается до предмета, сигнал передается к нерву, и у человека появляются ощущения, к примеру, тепла или холода», — поделился планами биоинженер.