Как работают бионические конечности
- Утративший ногу Дэвид Джонсон трудится инженером в компании? ssur. Он испытывает протез Power Knee, и у него имеется все возможности для независимой настройки протезной испытания и электроники ее методов в настоящих условиях. Сейчас мы стоим на пороге реализации давешних фантазий о «механическом силаче», другими словами о настоящих бионических усилителях людских мышц.
- Достаточно добавить к разработкам «умных протезов» и экзоскелетов подходящий нейро-машинный интерфейс, что не будет связан с вторжением в мозг.
Совокупность Modular Prosthetic Limb выглядит легко как хороший бионический протез. На самом же деле это целый рой из независимых роботов. Любой съемный сегмент с собственным электроприводом содержит вдобавок и процессор, что согласует собственную работу с остальными элементами
- Чтобы заново воссоздать человеческий орган, к примеру мочевой пузырь, в Университете регенеративной медицины Уэйк-Форест болванку из биоразлагаемого материала заселяют клетками, забранными у больного. Данной лабораторией командует Энтони Атала, лауреат приза PM Breakthrough Award от 2006 года. на данный момент тут заняты выращиванием более сложных органов — таких как сердце и печень
В компании Еssur инженер диагностирует моторизированный сустав Rheo Knee.
- Данный элемент есть частью протеза Symbionic Leg и содержит усилия и датчики угла. С них сведенья поступают на бортовой компьютер
По земле до тех пор пока ходит не так уж большое количество субъектов, которых возможно было бы назвать настоящими биомеханическими гибридами, так что встреча с фермером Дэвидом для любого станет сюрпризом. Рыжий, пышущий неугасимым весельем и здоровьем здоровяк встречает нас на посыпанном гравием проезде, ведущем к его мастерской. 30-летний механик не раздумывая спрыгивает со собственного огромного трактора, пробирается среди вездеходов и раскиданных везде тракторных запчастей.
Он хватается то за одно, то за другое дело, кроме того не вспоминая, что в некоей степени он уже не человек, а машина.
Разламывай — не стесняйся
Дэвид носит хитроумный протез левой ноги, которую утратил в автомобильной аварии. Сейчас протез должны заменить. Вот из-за чего на ферму, где работает Дэвид Ингвасон, приехали инженеры из компании Еssur.
Штаб-квартира этого большого производителя протезов находится в Рейкьявике (Исландия), в часе езды от фермы Дэвида. Простой исландский крестьянин, он был в избранном кругу калек, которых обеспечили протезом марки Symbionic Leg. Это интегральная бионическая конструкция, включающая в себя неестественные колено, стопу и лодыжку.
Собственную неестественную ногу Ингвасон систематично разламывает, хозяйничая на ферме, разъезжая по окружающим пустошам, поросшим высокой травой, лазая по затянутым мхом вулканическим плоскогорьям. Приводы забиваются глиной, механика стонет под постоянными нагрузками, пока технический шедевр ценой больше иного седана не преобразовывается в мертвую железяку, набитую электроникой.
Как растолковывает Магнус Оддсон, несущий ответственность за разработку новой техники в компании Еssur, при любых осложнениях от Ингвасона требуется всего лишь позвонить, и сотрудники компании тут же привезут ему новую ногу, причем совсем безвозмездно. Так как для компании все повреждения, каковые испытатель причиняет протезу в следствии очень небрежного обращения, — источник очень полезной информации.
В то время, когда ноге не нужен мозг
Прошедшей в осеннюю пору компания Еssur выпустила в продажу модель Symbionic — первую в мире неестественную ногу с электронным управлением, доработанную до отметки массового производства. Это выдающаяся веха в истории разработки протезов. Нога Ингвасона выступает, по сути, в роли независимого робота, напичканного датчиками, каковые исследуют внешнюю среду и угадывают намерения хозяина.
Особые процессоры вычисляют, на какой угол обязана выдвинуться при шаге неестественная нога. Та же идеология закладывается в конструкции неестественных рук, в то время, когда сложнейшие методы оказывают помощь выяснить, с каким упрочнением необходимо схватить пластиковую бутылку с водой либо как спружинить, упершись в пол при падении. Протезы, чье воздействие основано на слухе и самостоятельном видении, всецело обходятся без поврежденных органов эмоций.
Все эти бионические совокупности способны деятельно подстраиваться под темперамент собственных обладателей. Помогая людской телу, они восстанавливают его функции.
Заберём один из характерных случаев, в то время, когда человека может подвести протез классической конструкции. В большинстве случаев механическое колено фиксируется намертво, в то время, когда пятка касается почвы. Так, протез поддерживает вес людской тела. В то время, когда вес переходит на носок, колено разблокируется. Но в случае если носок касается почвы через чур рано, неестественная нога может самопроизвольно сложиться под весом хозяина.
Протез типа Symbionic Leg одурачить не просто. акселерометры и Датчики усилия всегда отслеживают положение ноги по отношению к ее обладателю и к окружающим предметам. Встроенные процессоры разбирают все входные эти с частотой 1000 замеров в секунду и оперативно принимают оптимальные ответы — в то время, когда приложить упрочнение, а в то время, когда его снять.
Чтобы фиксировать либо отпускать коленный сустав, тут необходимо что-то большее, чем легко чувствительное касание почвы носком ступни.
Но, допустим, умный протез как-то совершит ошибку, просчитывая обстановку, — тогда первый же импульс, показывающий на то, что его обладатель готов упасть, запускает в воздействие программу по восстановлению равновесия. Приводы сразу же в два раза замедлят собственный перемещение, а магнитная жидкость, заполняющая колено, станет более вязкой, повышая сопротивление. Если доверять Ингвасону, вся совокупность трудится так, что он редко падает — по крайней мере реже, чем это бывало, в то время, когда он ходил на собственных ногах.
Новый протез Ингвасона — это следующая модель Symbionic Leg, заряженная модернизированными программами. С их помощью лодыжка и колено смогут осмысленно взаимодействовать между собой. В ближайщее время компания Еssur планирует создать собственного рода «сетевой разум».
Но вот новый протез уже на ноге. Сначала Ингвасон достаточно неуклюже заковылял через собственный нечистый двор, заваленный старыми останками легковушек и тракторов. Но всего через пара мин. робот подстроился под собственного хозяина.
Сперва строить, позже — выращивать
Каким в компании Еssur видят будущее? «Прекрасно было бы, говорит Оддсон, — собрать все знания, каковые накоплены в компании Еssur, и создать что-то, по большому счету игнорирующее нервную совокупность человека. Это будет не экзоскелет. Вернее было бы назвать такую концепцию «Умные брюки».
На первых порах она возможно подспорьем для парализованных. Такое устройство стало бы стимулировать мускулы, генерируя те команды, каковые уже не могут выдавать мозг либо поврежденные нервы. Возможно было бы применять уже имеющиеся приводы, другими словами человеческие мускулы, но приладить к ним новый центральный контроллер».
А в самой дальней возможности, считает Оддсон, протезирование как техники и отдельная отрасль науки должно провалиться сквозь землю по большому счету, уступив место будущим разработкам восстановления потерянных органов. К 2050 году, предвещает он, конечности возможно будет создавать с нуля. Кто знает, будут ли их выращивать либо строить на базе печатной разработке?
Все сокровенные биомеханические тайны, раскрытые такими компаниями, как, например, Еssur, будут сведены в единую упряжку для восстановления людской плоти по новым разработкам.
Забавно слушать такие оптимистические прогнозы, в которых эксперт предвещает, что его отрасль уйдет со сцены благодаря ее же собственному действенному формированию и уступит собственный место вторым областям знания. Действительно, вся наработанная изощреннейшая техника не пропадет втуне — она будет реализована в новых устройствах, каковые поменяют жизнь миллионов людей, как больных, так и в полной мере здоровых.
Как трудится робот-протез
Ветхие неприятности
Применение протезов влечет за собой, в большинстве случаев, неприятности со здоровьем. В чисто механических ножных протезах употребляется сложная совокупность защёлок и рычагов. Именно она разрешает калекам ходить, но свободной эта походка ни при каких обстоятельствах не будет, поскольку обладатель протеза должен при каждом шаге поддергивать бедро вверх, дабы не цепляться носком протеза за дорогу.
Ручные протезы с электроприводом при ходьбе приходится как-то фиксировать, и данный балласт нарушает равновесие и осанку при ходьбе. Приблизительно у 70% калек, пользующихся протезами, развиваются осложнения в суставах и позвоночнике.
Новые методы
Согласно точки зрения экспертов, подобные побочные действия приводят к тому, что тучные либо страдающие хроническими болями больные становятся еще менее подвижными, а это подрывает их здоровье и укорачивает жизнь. Решение проблемы нашли в особых методах. При применении протеза Symbionic Leg компании Оssur больной уже не должен поддергивать бедро. Все нужные перемещения делает за него роботизированный протез.
При каждом шаге носок приподнимается вверх, делая перемещение, которое принято именовать «тыльным сгибанием».
Мгновенная реакция
Другие методы оказываются посложнее — с их помощью робот разбирает поток поступающих извне данных, а они всегда меняются в зависимости от характера местности, по которой приходится шагать. В случае если нога при перемещении вниз упирается в немного поднятую поверхность, в то время, когда колено еще до конца не разогнулось, робот делает вывод, что перед ним ступень лестницы, и соответственным образом подстраивает собственные перемещения. В случае если при взаимодействии с почвой носок задирается, а пятка пара проваливается, ИИ делает вывод, что под ногами склон, и он меняет усилия и углы так, дабы оптимальным образом преодолеть это препятствие.
Человек будущего — это машина: 2012
Экзоскелет компании EKSO Bionics
В феврале из стенку лаборатории, принадлежащей компании Ekso Bionics, вышел первый работоспособный экзоскелет. Роботизированная совокупность нижних конечностей, снабженная электроприводами, может выдерживать вес больных с травмами спинного мозга либо поражениями нервной совокупности. Независимые батареи снабжают три часа энергичной ходьбы.
Symbionic Leg
Прошедшей в осеннюю пору компания Еssur предоставила в распоряжение нескольких избранных клиентов собственный первый интегрированный бионический протез ноги. В текущем году продажи протеза начнутся в мире. В протезе Symbionic Leg производится самонастройка всех параметров — от упругости колена до величины угла между стопой и лодыжкой.
2013−2015
По окончании успешных опробований на людях беспроводной интерфейс «мозг-компьютер» (BCI) будет вытеснять совокупности с передачей сигналов по проводам. Это особенно действенно в совокупностях управления протезами.
Biobolt
Длится доводка нового поколения этого беспроводного устройства. Бионическая конечность считывает сигналы нервной совокупности при помощи кожи. Но настоящий прорыв наступит только тогда, в то время, когда эта методика разрешит наладить обратную сенсорную сообщение с мозгом. Самая непростая часть работы — написание методов. Так вычисляет Юсик Юн из Университета штата Мичиган: «До сих пор только бог ведает, что именно мы должны «сообщить» мозгу.
Но это лишь до тех пор пока».
Ручной протез Gen 3
Протез Gen 3 компании DEKA имеет десять степеней свободы и шесть задаваемых на выбор методов захвата. Эта компания (ее начальник — Дин Кэймен) собирается запустить в производство руку, которая будет связана через радио-канал с пультом на ноге. Новая модель сможет кроме этого принимать команды от электродов, вживленных в нервы либо в мозг.
умные «запчасти и Статья Человек» размещена в издании «Популярная механика» (№117, июль 2012).
<
h4>