Человек 2.0. Перезагрузка. Реальные истории о невероятных возможностях науки и человеческого организма - Адам Пиорей

Но компьютерная программа, разработанная Герром, не говорит всей бионической ноге, как ей шевелиться. Изобретатель любит подчеркивать, что это не «проигрыватель», который лишь воспроизводит заданные движения.

«Проигрыватель тут бы не сработал, — отмечает он. — Вдруг вы наступите на банановую кожуру?»

Вместо этого электронная начинка, тщательно запрограммированная Герром и его командой, сообщает каждой отдельной части бионической конечности, как реагировать на множество разновидностей «входящих сигналов», поступающих извне. Такая реакция проявляется, например, в степени натяжения искусственных сухожилий или в углах сгиба искусственных связок и уровне напряжения искусственных мышц, которые окружают эти сухожилия. Как и обычная нога, робоконечность Герра представляет собой систему динамического сотрудничества многих различных частей, толкающих и тянущих друг друга, сгибающихся, растягивающихся, сжимающихся. Он объясняет, что в результате «появляются» качества и поведение, которые иногда удивляют даже его самого.

«Мы не говорим модели, как двигаться, — заявляет он. — Это модель говорит нам, как она движется».

«Сенсоры, которые установлены на протезах, проводят измерения, и эти данные вводятся в модель, и модель сообщает нам, насколько жестким должен быть тот или иной сустав в определенное время и какую силу он должен развивать, — добавляет Герр. — А значит, поведение физического, материального протеза диктуется этим математическим описанием поведения организма. Эта штука ведет себя так, словно обладает мышцами и сухожилиями, хоть она и сделана из алюминия, кремния и углерода. Несмотря на то что она сплошь состоит из синтетических деталей, она ведет себя так, словно это плоть и кости».

Всё это кажется каким-то чудом, но главным препятствием стал отнюдь не сбор данных, а выяснение того, как обеспечивать этих роботов автономным питанием. Первые модели Герра соединялись с рюкзаком, содержавшим почти 13 фунтов [примерно 6 кг] электроники, которая служила как электроусилитель и подключалась к обычной розетке: не очень-то удобный вариант для передвижения. Аспиранты Герра месяцами бились над тем, чтобы уменьшить потери при передаче энергии, а заодно и снизить энергозатраты. Но они так и не сумели сконструировать моторизованную лодыжку, которая была бы достаточно компактной и достаточно мощной, чтобы сравняться с обычной.

Герр все-таки отыскал решение, обратившись к одному из самых первых персонажей, изучавшихся в научной литературе о передвижении, — к блохе[11] с ее несравненным катапультирующим механизмом. В 60-е годы ученые показали, что блоха способна придавать себе ускорение в 100 раз большее, чем то, которое могла бы спонтанно развить мышца. Чтобы проделать такой трюк, блоха постепенно напитывает энергией волокнистые пружиноподобные структуры, прикрепленные к мышце, и хранит там эту энергию, пока не придет пора резко оторваться от поверхности. В этот момент вся накопленная энергия высвобождается одновременно. Эта невероятно мощная катапульта гораздо эффективнее тех, которые использовали средневековые рыцари при осаде городов.

Герр понимал, что небольшого моторчика еще недостаточно, чтобы с нужной быстротой генерировать и доставлять энергию, необходимую для того, чтобы при ходьбе нога-протез могла отталкиваться от поверхности с той же силой, что и натуральная нога: сами по себе мышцы блохи тоже не могут вырабатывать достаточно энергии, чтобы катапультировать ее с хвоста собаки на спину. Но Герр понял: если мотор в искусственной ноге будет постепенно закачивать энергию в пружину (подобно тому как блоха закачивает энергию в свои ноги), скорость генерации энергии уже не будет иметь значения. Когда придет время отскакивать от земли, эта пружина сможет единовременно высвобождать всю накопленную энергию, отталкивая ступню от поверхности с такой же «взрывной силой», с какой это делает обычная человеческая лодыжка.

Сэмюэл Ау, главный из герровских аспирантов, занимавшихся этим проектом, несколько месяцев безуспешно пытался сделать подходящий мотор. А потом Герр осознал, что никакие из этих вариантов мотора не опираются на вторичное использование сухожилий, которое наблюдается в реальном лодыжечном суставе. Может быть, следовало добавить больше пружин, которые на сей раз действовали бы параллельно мотору?

И догадка оказалась верной. Дополнительные пружины снижали ту силу, которую должен был развивать мотор, в подражание тому, как икроножная мышца использует ахиллесово сухожилие, получая возможность вырабатывать энергию, не сокращаясь. Чтобы проверить новую систему, Герр сам надел переделанную модель-прототип и начал ковылять по специальной дорожке, на которой эти протезы испытывались у него в лаборатории. С каждым шагом улыбка на его лице становилась всё шире. Герр ускорил движение, стал шагать всё быстрее и быстрее. К тому времени, когда он объявил, что с этой искусственной лодыжкой чувствует себя «точно так же, как если бы шел на нормальной», его ассистенты уже бурно выражали свою радость.

В полной мере задействуя эту перестроенную паутину пружин, лаборатория вскоре сумела удвоить энергию, поставляемую аккумулятором моторчикам, установленным в протезах. Сегодня при ходьбе моторчик, находящийся в задней части каждой искусственной ступни Герра, постепенно насыщает энергией систему пружин, расположенных внутри стопы. Часть этой энергии высвобождается, когда он просто отталкивается ногой от земли в процессе обычной ходьбы. Если же он поднимается по склону или ускоряет шаг, мотор и пружины выделяют больше энергии — столько, сколько необходимо в изменившейся ситуации.

«Именно так работает наше тело», — поясняет Герр.

Работая в лаборатории, он часто надевает кислородную маску, прицепляет протезы и затем поднимается на тренажер, чтобы проверить очередные усовершенствования. Он может не только отслеживать перемещения различных частей своего тела с помощью системы Vicon, но и присоединять электроды к различным мышцам тела, чтобы определять электрический потенциал, возникающий в мышечных клетках, и измерять уровни мышечной активизации: этот метод называется электромиографией (ЭМГ). В пол вмонтированы чувствительные к нагрузке пластины (длиной 2 фута [0,6 м] и шириной 4 фута [1,2 м]), точно фиксирующие силу, с которой человек давит на поверхность, когда он ходит, танцует или бежит (поверхностную реактивную силу).