Чудеса биомеханики: лучшие разработки для армии и здоровья

Ходьба на подсознании

Исландская компания Ossur представила на днях бионический протез ноги, управляемый человеческим мозгом. В основе технологии - специальные имплантируемые сенсоры, которые посылают беспроводные сигналы во встроенный в искусственную конечность микрокомпьютер. Это позволяет управлять протезом практически на уровне подсознания, обеспечивая мгновенную реакцию и соответствующие движения.

Протезы, управляемые мышечными импульсами, появились еще в конце 60-х, однако технология до сих пор имеет ряд ограничений. В частности, сенсоры улавливают электрические импульсы не одной отдельной мышцы, а всех сразу, что приводит к разбалансированным, медленным  движениям.

Компании Ossur удалось создать более точные сенсоры IMES, которые имплантируются в оставшиеся мышцы в культе. В протезе имеется специальный ресивер, принимающий передаваемые на сенсор мышцами импульсы и посылающий их на микрокомпьютер протеза.

Вся система искусственной конечности действует как единый кибернетический имплантат, сигналы на который подаются спинным мозгом. В результате человеку для управления искусственной конечностью не требуется осознанно выполнять те или иные действия: протез управляется практически на подсознательном уровне. Неосознанные рефлексы автоматически трансформируются в импульсы, которые и контролируют бионическую конечность. Управляемые мыслью бионические ноги являются настоящим прорывом в новое поколение протезов, которые станут единым целым с их владельцами.

Интуитивные руки

Управляемые силой мысли протезы, но только для рук, разработала объединенная группа исследователей из Калифорнийского технологического института, Медицинской школы Кека при университете Южной Калифорнии и Национального реабилитационного центра Ранчо Лос Амигос. Они создали управляемый силой мысли протез, который исполняет команды мозга значительно быстрее, чем это делали его предшественники, и двигается настолько плавно, как настоящая рука.

Ученые имплантировали пару электродных массивов размером 4x4 миллиметра в заднюю теменную кору парализованного пациента. В отличие от моторной (двигательной) коры, которая отвечает непосредственно за любого рода движения, нейроны задней теменной коры контролируют намерение двигаться. Таким образом биоинженеры предугадали желание пациента пошевелить новой искусственной рукой и ускорили ее реакцию на сигналы мозга.

Массивы электродов размещают в двух зонах задней теменной коры пациента, одна из которых контролирует намерение тянуться рукой до какого-либо предмета, а другая отвечает за хватательные движения. В каждом из массивов находятся электроды, считывающие сигналы нейронов мозга. От электродов проведены провода к компьютеру, который декодирует нейронные сигналы и передает команды роборуке.

Пациент, которому вживили имплантаты в мозг в рамках эксперимента, со временем освоил управление роборукой и теперь способен пожимать при встрече руки, держать напитки, сгибать и разгибать пальцы.

Как живая

Высшем пилотажем современнной биомеханики являются протезы, способные передавать тактильные ощущения. Такую инновацию создали специалисты из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETHZ). Для создания тактильного протеза руки Lifehand 2 они использовали новое имплантированное устройство, которое обеспечивает обратную связь с нервами в руке человека. В ходе клинических испытаний имплантат находился в руке пациента более месяца, позволяя ему ощущать прикосновения и различные степени давления при взаимодействии с объектами. Таким образом, исследователям удалось создать протез, который может не только получать сигналы от мозга, но и передавать ему тактильные ощущения.

Для того чтобы обеспечить обратную связь между протезом и оставшимися в руке пациента нервами, исследователи вживили в локтевой и срединный пучки нервов специальные электроды. Значение прилагаемой кончиками пальцев киберруки силы, где содержались специальные сенсоры, трансформировалось в электрические сигналы, которые поступали на имплантированные электроды. Последние напрямую взаимодействовали с нервной системой пациента, который смог различать форму различных объектов, распознавать твердые и мягкие предметы, а также материал, из которого они изготовлены.

Сила китайской армии

Особая сфера биомеханики - экзоскелеты, которые разрабатывают не только в помощь парализованным людям, но и для военных целей. Так, китайские ученые из госпиталя Нанкинского военного округа создали опытный образец экзоскелета для армии. Благодаря технологии, неподготовленный человек может легко переносить на несколько десятков метров 35-килограммовый ящик с боеприпасами, без труда преодолевая ряд препятствий.

При проектировании экзоскелета использовались принципы бионики, это позволило добиться высокой степени интеграции между системой управления модулями костюма и человеком. Основные части тела солдата при помощи чувствительных датчиков подключены к центру управления модулями экзоскелета, что позволяет механике костюма быстро повторять движения человека. Сейчас разработчики совершенствуют железную экипировку, делая ее более легкой и "быстрой". В дальнейшем планируется на базе экзоскелета выпустить унифицированную боевую экипировку с интегрированной системой боевого управления, защиты и связи.

Железные солдаты Пентагона

Аналогичные костюмы разрабатывает и Пентагон. Экзоскелеты, обеспечивающие суперсилу и защищающие от осколков бомб и пуль, давно привлекали американских военных и подобные разработки велись еще с начала 60-х. Но до недавнего времени для воплощения идеи не было  необходимых электронных технологий и материалов.

Новаторскую систему с сенсорами, удалось разработать компании Sarcos. Устройство воспринимает сокращения человеческих мускулов и переводит их при помощи электрических сигналов в движения роботизированного аппарата. Далее работу по созданию костюма продолжила поглотившая Sarcos корпорация  Raytheon.

А недавно компания SOCOM (US Special Operations Command) начала разработку военного экзоскелета TALOS

(Tactical Assault Light Operator Suit). 

Элементами экзоскелета являются: носимая вычислительная система, коммуникационные устройства, медицинский модуль и вспомогательные системы. Есть также присоединяемый модуль, наружный экзоскелет,  который создает дополнительный защитный слой. С помощью нанотехнологий разработано особое пуленепробиваемое покрытие. Экзоскелет также включает присоединяемые гидравлические руки и ноги, усиливающие любые движения, повышая скорость передвижения и общую мобильность. Кроме усиления физических возможностей, высокотехнологичный костюм улучшит визуальные восприятия солдат, предоставив картину боя в реальном времени. Этого удалось достичь благодаря подключаемому модулю Q-Warrioir.

В проекте TALOS, совместно с SOCOM, участвуют 56 корпораций, 16 государственных агентств США, 13 университетов и 10 лабораторий. Так что Пентагон скоро получит целую армию суперсолдат, которые будут передвигаться со скоростью машин, таскать грузы и совершать головокружительные прыжки.