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

«Отношение силы к весу для руки DEKA не слишком впечатляет по сравнению с непротезными искусственными руками, с которыми я работал, и явно уступает человеческой руке, — говорит ван дер Смагт. — И стабильность оставляет желать лучшего. И эта штука не обладает энергоэффективностью. Ребята провели очень хорошую инженерную работу, у них получилась вещь нужной формы и веса. И, вероятно, сейчас это лучший протез руки из всех, которые существуют. Но это никакое не биомиметическое устройство [т. е. оно не воспроизводит все свойства и особенности настоящей руки]>к

Это немного разочаровывает, особенно если учесть, что на эти деньги можно было бы соорудить 16,6 «людей ценой в шесть миллионов». В этом смысле Стив Остин пока остается лишь мечтой.

Вероятно, наиболее многообещающее устройство, которое могло бы по-настоящему позволить человеку превзойти возможности, отпущенные природой, соорудил тот же Хью Герр. В 2014 г. он объявил, что создал первое в истории приспособление для нижних конечностей, помогающее обычному здоровому человеку ходить и при этом снижающее метаболические затраты на такое передвижение.

Герр утверждал: «лакмусовая бумажка», позволяющая определить практическую применимость того или иного экзоскелета, — это его способность подпитывать энергией каждый отдельный шаг своего носителя, при этом не увеличивая метаболические расходы человека на перемещение. Эту проблему не мог решить ни один инженер.

В видеоролике, демонстрирующем новую технологию, испытуемый в голубых шортах, стандартных армейских ботинках для передвижения по пустыне (во всяком случае, так они выглядят) и черных носках до колена, шагает по дорожке бегового тренажера. К передней части каждой ноги, дюйма на два ниже колена, прикреплен черный приборчик не больше пачки сигарет. Это и есть «искусственная мышца» устройства.

Пара длинных тонких металлических стержней идет по обеим сторонам каждой ноги, соединяясь под сводом стопы, а затем поднимаясь назад и вверх, в воздух позади икры, образуя острую диагональ. Эти опоры помогают мотору, расположенному с другой стороны лодыжки, распределять энергию и усиливать действие камбаловидной мышцы — набора длинных и мощных волокон, который проходит от обратной стороны колена до пятки, присоединяется к ахиллесову сухожилию и играет ключевую роль в обеспечении нас энергией, когда мы стоим или идем.

По словам Герра, главной механической инновацией для этого устройства стал метод «естественной» подпитки тела энергией мотора — без нарушения целостности кожи и без лишнего давления на ногу. Герр придумал изящное решение проблемы, которое при этом все-таки отличается от природного: шаги человека подпитываются дополнительной механической энергией с помощью перпендикулярного ноге приспособления (торчащего из моторчика размером с сигаретную пачку), которое давит на верхнюю часть лодыжки. Это уменьшает натирание и риск сдирания кожи.

Дополнительная механическая энергия прикладывается в виде «крутящего момента» — той силы, которая помогает отводить переднюю часть лодыжки назад. В результате шире открывается лодыжечный сустав, соединяющий нижнюю часть ноги со ступней по принципу дверной петли. Это движение, в свою очередь, натягивает сухожилия, которые поднимают пятку, прижимая носок к земле и накапливая потенциальную энергию. Когда пользователь отрывает ногу от земли, эта энергия высвобождается, толкая носителя протеза вперед: по сути, такой носитель при этом играет роль камня, выпущенного из рогатки.

Экзоскелет, придуманный Герром, задействует остроумный механизм обратной связи, позаимствованный непосредственно у природы (его же изобретатель применяет в своей ноге-протезе). Механизм позволяет экзоскелетному мотору в реальном времени подстраиваться под изменения характера поверхности, а также скорости движения.

Разрабатывая математическую модель для лодыжечно-ступневого протеза, который сейчас питает энергией его собственные пешие передвижения, Герр натолкнулся на целый ряд так называемых «непредсказуемых, неочевидных, внезапно возникающих свойств»: в данном случае речь идет об оказавшихся для него неожиданностью вполне осмысленных методах выполнения каких-то действий. Один из наиболее полезных методов был связан с тем, как человеческий организм закачивает дополнительную энергию в нижние конечности, когда мы идем по неровной поверхности.

На пересечении ахиллесова сухожилия и камбаловидной мышцы, как и в других местах стыка мышц и сухожилий, располагается структура под названием «нервно-сухожильное веретено,» («сухожильный орган Гольджи»). Орган Гольджи — своего рода биологический сенсор, который реагирует на прилагаемую к нему силу, посылая сигнал в головной мозг по позвоночнику (т. е. по спинному мозгу). Головной мозг откликается на этот сигнал, давая мышце приказ сокращаться еще больше, тем самым увеличивая жесткость и мощь ноги. Включив эту структуру в свою математическую модель искусственной ноги, Герр обнаружил, что она играет ключевую роль в процессах ходьбы.

«Это очень, очень простая штука, и мы включили ее в состав лодыжечного протеза, и получился великолепный пример неочевидного поведения», — говорит Герр.

По мере того как ампутант (или любой другой носитель такого экзоскелета) увеличивает скорость ходьбы (переключаясь из режима «медленная ходьба» в режим «быстрая ходьба»), давление на орган Гольджи возрастает, и модель приказывает мотору дать лодыжке больше энергии.

«Это происходит автоматически, без непосредственного измерения скорости ходьбы, — отмечает Герр. — А когда угол наклона поверхности увеличивается и человек начинает идти в гору, мотор дает еще больше энергии. Когда же человек идет вниз по склону, эта энергия, наоборот, отбирается — автоматически, хотя прибор не чувствует, что характер поверхности изменился. Этот очень простой мышечный рефлекс обладает таким вот неочевидным поведением, которое позволяет очень многое сделать».

«Я бы даже сказал, — добавляет Герр, — что если взять какого-нибудь инженерного гения и заставить его пройти все существующие курсы по теории инженерного контроля, он все равно, вероятно, не придумал бы эти простые рефлексы».

Всё это может казаться немного прямолинейным подходом, а ведь природные решения обычно отличаются изяществом. Но результаты этой работы, скорее всего, коренным образом преобразуют сферу протезирования. Герр заявляет, что с помощью своего прибора он создал сапоги, позволяющие тратить при ходьбе на 20 % энергии меньше.

«История знает лишь один действующий экзоскелет, — утверждает Герр. — И его придумали мы».

В принципе такой же экономии энергии можно добиться (несколько модифицировав прибор), даже если носитель устройства будет тащить на спине тяжелый рюкзак или очень быстро бежать. Герр отмечает: когда человек несет груз, основные биомеханические изменения вынуждены претерпевать колени и лодыжки — используя мышечную энергию для противодействия силе, с которой груз давит вниз, и уравновешивая крутящий момент.

«Можно окружить колени и лодыжки экзоскелетом, который, когда вы несете груз, будет делать то же самое, что делает наше тело, несущее груз, — отмечает Герр. — Но человек, на которого надеты эти штуки, будет при этом идти так, словно он не отягощен никаким грузом».