Согласно опросам ВЦИОМ, россияне назвали бионические протезы рук и ног самым значимым изобретением XXI века (36%). Согласно еще одной статистике, которую нам предлагает ООН, около 15% процентов населения мира имеют нарушения структур организма, снижающие его функциональность. Такие нарушения сильно сказываются на уровне физической и социальной активности человека. Это снижает качество жизни и становится препятствием в повседневных делах и работе.
О том, что действительно происходит с биопротезированием в России, мы поговорили с генеральным директором ООО «Сутура МедТехнологии» и по совместительству сотрудником научно-исследовательской лаборатории радиотехнических систем Степаном Чуйкиным.
Биопротезирование, как часть бионики, занимается проектированием и созданием протезов утерянных органов и конечностей. В отличие от механических и рабочих, биопротезы с помощью маленьких датчиков способны считывать нервно-мышечные импульсы и приводить устройство в действие. Самое малое, что может делать такой протез, это сгибаться и разгибаться, более сложные системы способны воспроизводить даже мелкую моторику.
Биопротезы рук бывают двух типов: односхватовые — все пальцы управляются одним двигателем; многосхватовые — каждый палец оснащен собственным мотором, что расширяет возможности устройства. Система управления протезом непохожа на управление здоровой конечностью, как правило, это предзаписанные паттерны, то есть жесты, действия. Они считываются с мышц культи, оставшейся части конечности. Такое считывание электрических потенциалов называется электромиографией (ЭМГ). В настоящее время она является самым перспективным методом управления бионическими протезами. Однако молодые российские ученые пошли дальше и решили усовершенствовать систему управления биопротезами — миографический интерфейс.
Расстояние превращается в преимущество
Еще одним преимуществом разработки стала многоканальность системы. Сейчас, как правило, система управления представляет собой двухканальный датчик. Это значит, что протез обладает всего двумя управляющими сигналами — пронацией (так называют вращение любого сустава внутрь) и супинацией (вращение сустава наружу). Исходя из этого, переход от одного жеста к другому занимает очень длинный путь — человеку необходимо совершить несколько действий вплоть до нажатия кнопки на протезе. С учетом того, что протез способен «хранить в памяти» 6-8 различных схватов, его обладателю требуется запомнить длинную, до 16 действий, последовательную цепочку для смены одного схвата на другой.
Совпадения не случайны
Степан Чуйкин делится, что идея создать систему управления бионическим протезом пришла совершенно случайно около двух лет назад.
«Мы познакомились с моим будущим партнером, Павлом Анучиным в лаборатории, увидели рассылку в вузовской почте, проект назывался „От идеи к прототипу“. Посмотрели, можно ли податься туда со своей идеей, или важно все же создавать проект из банка задач. И там попалась одна интересная для нас: „разработать комплекс систем для помощи людям с нарушениями опорно-двигательного аппарата“», — делится молодой стартапер, Степан Чуйкин.
Следом еще одно совпадение: у Павла была распечатанная 3D-модель протеза. Тогда молодые ученые приобрели с рук браслет с восемью датчиками электромиографии мерцательной системы. Так и родился проект, который развивается на наших глазах.
В переводе с испанского «Sutura» означает шов. Как говорит Степан, они сочли это лаконичным и говорящим, поскольку они связывают, как бы «сшивают» человека с его протезом с помощью своей системы управления. Степан в команде занимается разработкой схемотехники, составлением финансовых моделей и переговорами с партнерами и заказчиками.
Нервные импульсы перевели в цифру
Разработанный браслет состоит из восьми датчиков электромиографии, мерцательного датчика и центрального микроконтроллера.
«Когда человек напрягает мышцу, по ней начинает литься электрический ток разных потенциалов. Эта разница увеличивается, усиливается с помощью дифференциальных и обычных усилителей (это просто структура датчика электромиографии). Затем система отправляет сигнал на центральный микроконтроллер, на котором крутится математический алгоритм. Он отличает возможные схваты, которые могут быть в системе», — рассказывает Степан.
Браслет вычленяет паттерн движения, причем у людей с протезами речь идет не об очевидных жестах. По данным исследований, даже утром и вечером паттерны движения каждого человека отличаются. Эту проблему команда «Сутура МедТехнологии» решила за счет ухода от стандартного понимания паттерна.
По сути, разработчики придумали, как оцифровать сигнал от всех мышц руки. При этом точность распознавания жестов превышает 80%. Напрягаться или расслабляться обладателю браслета не требуется. Лишь потратить время на запись движений. Нужно в течение 30-40 секунд несколько раз повторить каждое движение.
«Сейчас мы работаем над тем, чтобы уменьшить время записи до хотя бы 20 секунд, чтобы человек не тратил на это много времени. Потому что чем больше пользователю требуется различных действий, чтобы что-то заработало, тем меньше он хочет это делать», — говорит Степан.
Один браслет решает несколько проблем
Сейчас в России есть несколько проблем, с которыми сталкиваются пациенты реабилитологов.
«Во-первых, врач-протезист не видит мышечную активность пациента на всей культе. Чтобы снять какие-то потенциалы, ему приходится „ерзать“ по коже человека в поисках точки, откуда можно снять максимальный биопотенциал. С нашей системой достаточно просто надеть браслет на руку — и сразу видно, какие зоны у человека активны. Если есть какие-то импульсы, но они довольно слабые, то можно дать дополнительные упражнения пациенту в рамках реабилитации. Это нужно, чтобы к протезированию человек вышел более подготовленным», — рассказывает Степан Чуйкин.
Другая проблема, о которой говорит Степан, состоит в том, что человеку нужно привыкать управлять протезом. При этом управление протезом совсем не похоже на управление здоровой рукой. Сейчас, чтобы научиться этому, человеку нужно раз за разом ездить в протезную клинику и там оттачивать свои навыки на стенде со старыми кистями. С системой «Сутура МедТехнологии» ему вовсе необязательно куда-то ехать. «Он может заниматься дома по изображению на экране компьютера и просто получать обратную связь о том, как будет сгибаться его протез», — дополняет Степан.
От исследований и теории к реальным действиям
Молодые ученые уже внедряют свою задумку. Только в июле они зарегистрировали свой первый код. Еще несколько — проходят процедуру в Федеральном институте промышленной собственности. В ближайшее время, начиная с сентября и до Нового года, планируется пилотное тестирование системы управления протезом совместно с группой компаний МЕТИЗ.
«Мы будем изготавливать особую прямую гильзу, чтобы дать человеку возможность испытать эту систему управления в реальной жизни. Если человек приходит обратно и говорит: "Да, все круто, хочу. Не хочу платить за эту штуку, а просто хочу", то мы подписываем договор с МЕТИЗом и начинаем массовое производство», — уточняет исследователь.
Аналоги есть, а конкуренции нет
Подобные разработке «Сутура МедТехнологии» аналоги на рынке уже есть, в частности, Mio Plus компании Ottobok, но российских ученых это не смущает. Ведь они обладают очевидным преимуществом, отмечает Степан Чуйкин.
При этом клинические испытания этому браслету не нужны.
«Так или иначе нашей системой воспользовалось порядка 10 человек, помогла она 90%. Сложности возникают только в том случае, когда у людей слишком короткая культя», — делится молодой ученый.
Уникальна разработка и конкурентная цена
Несмотря на то, что с развитием современных технологий люди все чаще выбирают биопротезы, они обладают рядом недостатков, в том числе дороговизной. Высокая стоимость бионического протеза руки обусловлена применением в конструкции новейших технологий, наделяющих искусственную конечность потенциалом здоровой. Также цена растет и от уровня ампутации: чем он выше, тем дороже обходится протезирование.
Однако Степан и команда заверяют: их разработка не будет дорогостоящей и не приведет к увеличению стоимости биопротеза. Цена будет способна конкурировать с немецкими двухканальными системами управления.
От управления протезом к пилотированию беспилотником
У разработки ООО «Сутура МедТехнологии» перспективное будущее. Как говорят разработчики, в дальнейшем интерфейс датчиков миографии можно использовать не только для управления киберпротезом. В перспективе подобное устройство можно применять при пилотировании беспилотников и роботов, а также при работе с токсичными или радиоактивными веществами, слишком опасными для человека.
Помимо разработки и внедрения датчиков миографии, молодые ученые поставили перед собой новый вызов. Они стремятся продолжить работу в направлении создания корпуса для своих датчиков и развития протезостроения. У ребят есть идея, как собрать собственный протез, тем самым уйти от недоступных зачастую или дорогих аналогов и улучшить взаимодействие устройства с их датчиками.
Разработки молодых ученых в приоритете
Президент России Владимир Путин объявил о проведении с 2022 по 2031 год Десятилетия науки и технологий. Среди задач тематического Десятилетия — привлечение в сферу исследований и разработок талантливой молодежи, содействие вовлечению исследователей и разработчиков в решение важнейших задач развития общества и страны, а также повышение доступности информации о достижениях и перспективах развития науки для граждан России. Оператор проведения Десятилетия науки и технологий — АНО «Национальные приоритеты».
Наука и бизнес: пути развития
Группа молодых ученых, «Сутура Медтехнологий» являются ярким примером того, что любовь к науке и предпринимательскую жилку можно и нужно объединять. Молодые ученые опровергают все стереотипы о неприспособленности изобретателей к «обычной жизни».
Возвращаясь к теме Десятилетия науки и технологии, молодые ученые делают акцент на важности для их работы объединяющих мероприятий, как например, ключевое ежегодное событие — Конгресс молодых ученых. В этом году он состоится в 4-й раз 27–29 ноября 2024 г. на федеральной территории «Сириус». Он объединит представителей ведущих научных школ из разных регионов России, научных и образовательных организаций, органов власти, индустриальных партнеров, ярких лидеров отечественной науки, а главное — молодых ученых, победителей конкурсов, получателей грантов, студентов и школьников из России и других стран.
Виктория Шушура, Екатерина Сычева
