Кибернетика: Эволюция машины или человека?

С развитием компьютерных технологий все больше возникает социальная потребность в автоматизации личного пространства. Человек возлагает функции своей деятельности на технический прибор, что приводит к более тесным отношениям между ними. В медицинской практике такие отношения уже становятся жизненной необходимостью, а порой даже спасением. Это создает условия для постепенного превращения человека в киборга.

Термин «кибернетика» в современном понимании — как науку, изучающую общие закономерности процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе, — предложил Норберт Винер в 1948 году. В свою очередь в 1960 году Манфред Е. Клайнс и Натан С. Клин дали определение биологическому организму, содержащему механические или электронные составляющие – так в медицине появилось понятие «киборг». Тогда мысль о симбиозе живого организма с автоматизированной системой оставалась предметом размышлений, лишь прогнозируя развитие подобных технологий. В научных кругах долгое время воспринимали биологическую кибернетику как псевдонауку. Ее концепция легла в основу многочисленных фантастических произведений литературы и кинематографа. Однако постепенное развитие робототехники способствовало воплощению идей биокибернетики в реальность.

Современные медицинские опыты в области кибернетики базируются на принципах протезирования – замене утраченных или поврежденных частей тела искусственными аналогами. Протезы выпускаются механические и электронные, последние еще бывают биоуправляемыми. Но в отличие от элементарных протезов, которые лишь создают внешний вид утраченной части тела, биоэлектрические протезы способны полностью или частично выполнять функции утраченной конечности или органа.

ЖИТЬ БЕЗ СЕРДЦА МОЖНО

Более 40 тыс. человек в мире используют сердечные имплантаты и кардиостимуляторы, которые призваны поддерживать работу живого органа. Так кардиостимуляторы регулярно воздействуют на сердечную мышцу с помощью электрических импульсов. Однако в 2001 году компания AbioMed первой доказала, что жить без сердца можно, предложив миру его достойную замену — устройство AbioCor сроком службы 1,5 года. Сердцевидный аппарат размером с мужской кулак присоединяется к артериям и полностью имитирует работуживого органа. Внутренняя батарея, расположенная в животе пациента, позволяет свободно передвигаться в течение одного часа, в дальнейшем возможна ее беспроводная зарядка. Новая версия AbioCor, выпущенная в 2008, рассчитана на 5 лет и дала возможность осуществлять трансплантацию женщинам, так как по размеру на треть меньше своего предшественника. Стоимость устройства составляет около 460 тыс. USD.
Однако в 2011 году ученые-врачи Билли Кон и Бад Фрейзер из Института Сердца Техасапривели сенсационное подтверждение тому, что пульсирующий ток крови нуженнепосредственно сердечной мышце, которая отдыхает в перерывах между импульсами, а не человеку. Необходимость изобретения сложных и дорогостоящих конструкций,эмулирующих работу живого сердца, отпала. В ходе уникальной операции прямоточный ротор полностью заменил сердце 55-летнему Крейгу Льюису. Поскольку хирурги отказались от устройства, имитирующего сердцебиение, после операции у пациента не было пульса, а ЭКГ показывало прямую линию — хотя сам мужчина при этом замечательно себя чувствовал. На операцию американец Крейг Льюис согласился за 12 часов до предполагаемой врачами смерти из-за отказа внутренних органов по причине амилоидоза; первым должно было отказать сердце. Трансплантация прошла успешно, несмотря на малый остаток жизненного времени пациента, потраченного на пересадку. Механическоесердце работало без нарушений, через месяц Крейг умер из-за отказа почек и печени вследствие амилоидоза.

РУКИ НА ЗАМЕНУ

Успешно продвигаются разработки в области протезов конечностей. Подобных исследований требует печальная статистика: только в Евросоюзе насчитывается около 52 тыс. инвалидов с отсутствием пальцев или кистей рук, а по всему миру –1,2 млн. В США количество человек с потерей конечностей различных категорий превышает 1,7 млн.
Так в конце 2012 года британская компания Touch Bionics разработала первые в мире бионические пальцы ProDigits, которые надеваются на кисть и воспроизводят функции пальцев руки. Протез пригоден для людей с любым количеством отсутствующих пальцев. С помощью ProDigits можно поднимать вещи, печатать на клавиатуре, а также брать мелкие предметы. Протез управляется посредством миоэлектрических датчиков, которые фиксируют сигналы мышц в естественных пальцах и ладони. В качестве альтернативы можно управлять устройством нажатием на сенсоры вокруг пястной кости. Специальная функция также позволяет пользователю указывать на объекты одним пальцем и делать жесты. Такой протез обойдется в 35-45 тысяч GBR.. В основу ProDigits легла технология I-Limb, разработанная той же компанией. Однако за 5 лет I-Limb тоже модернизировался: по желанию пациента искусственную руку изготавливают в прозрачном, черном и телесном вариантах. Последний осуществляется с помощью новейшей разработки livingskin (живая кожа), которая задает удивительно реалистичную оболочку протеза, вплоть до тона кожи, фактуры и контуров как у естественной конечности. Изделие I-Limb-ultra можно приобрести за 18 тыс. USD.
В том же году компания RSL Steeper предложила миру протез руки bebionic-3. В отличие от  своих предшественников третья версия имеет 14 вариантов сцепления, обеспечивающих основные повседневные функции человеческой руки, а также позволяет поднимать тяжелые предметы весом до 45 кг и выполняет точечный захват мелких предметов, как куриное яйцо или монета. Устройство имеет покрытие с имитацией человеческой кожи, так что отличить бионическую руку от  здоровой можно лишь при детальном рассмотрении. Принцип работы bebionic заключается в трансляции импульсов сокращающихся мышц датчикам, отслеживающим дальнейшую последовательность действий кисти, – это приводит устройство в движение, максимально приближенное естественным движением человеческой руки. Производитель заявляет цену в 25-35 тыс. USD, оговаривая возможность снижения стоимости продукта в ходе дальнейших разработок.
Самыми же дорогими и совершенными протезами в мире признаны RIC Bionic Arm, разработка Института реабилитации Чикаго. Стоимость такого устройства может достигать 3-4 млн. USD и более. Технология базируется на принципах биоуправления посредством нейрокибернетики, и в отличие от своих конкурентов способна обеспечить более плавные и мягкие движения, а в некоторых случаях дает возможность пациенту почувствовать кончиками искусственных пальцев фактуру и температуру поверхности.
Своеобразным прорывом для изобретения всевозможных биоуправляемых протезов представляется технология их пристегивания, разработанная в Лондонском центре биомедицинской инженерии. Добровольцам с потерянными фалангами пальцев вживляют в кость металлические спицы. Через несколько недель металл полностью обрастает кожей,исключая риск занесения инфекции. К штифту надежно крепится протез. Ученые надеются, что через штифты удастся с высокой точностью также передавать нервные импульсы.

НОГИ ТЕРМИНАТОРА

Эмулировать деятельность опорно-двигательной системы гораздо сложнее. Исландская компания Ossur и канадская Dynastream Innovations выпустили первый в мире протез с подвижной стопой – Proprio Foot, который автоматически подстраивается под носителя. По заверениям разработчиков, достаточно сделать 15 шагов, и компьютер искусственной ноги определит особенности походки. Сложная система датчиков фиксирует изменения и позволяет протезу «на ходу» вносить коррективы. Со стороны походка человека с таким протезом кажется совершенно естественной и предсказуемой. Внешний вид металлизированных конструкций маскируется телесным чехлом. Стоит Proprio Foot около 25-30 тыс. USD.
Новая версия коленного протеза C-Leg немецкой компании Otto Bock работает по схожему принципу. Изобретенный еще в 1997 году C-Leg был первым протезом системы интеллектуального управления и адаптации к походке человека. Современное изделие способно выдержать человека в 125 кг, а в моменты отдыха принимать вес с отклонением от 7 до 70 градусов. Производитель заверяет, что обладатели C-Leg не только получают возможность естественной походки, но даже катаются на велосипедах и играют в подвижные спортивные игры. За 15 лет существования технологии было продано 13 тыс.интеллектуальных протезов по цене 30-40 тыс. USD.
Отличная перспектива видится в разработке технологий для парализованных людей. Уже в прошлом году в Калифорнийском университете в Ирвайне и Медицинском центре по лечению ветеранов войн в Лонг-Бич (Калифорния, США) были созданы и испытаны на здоровых людях первый биокибернетический протез ног, управляемый силой мысли.Устройство, созданное группой доктора Эн До, представляет собой экзоскелет, который обхватывает ноги пациента. Внешние датчики принимают ЭЭГ-сигналы и передают их на компьютер для последующей обработки — это заметно упрощает конструкцию протеза и убирает необходимость сложных хирургических операций. Испытуемые, подвешенные на стенде с механической дорожкой, воображали, что начинают двигаться, а датчики протезовсчитывали ЭЭГ-сигналы с их мозга. Следующей стадией станет испытание этой системы уже на парализованных людях. Подобные разработки в будущем могут позволить людям с параличом нижних конечностей и травмами позвоночника самим гулять на своих ногах.

ШАГ НАВСТРЕЧУ СЛУХУ

В 2012 году в Университете Юты США создан прибор MEMS, по функциональности и эргономике превозмогающий кохлеарный имплантат, благодаря которым уже более 220 тыс. человек по всему миру частично или полностью восстановили слух. Однако необходимость всегда иметь при себе микрофон создаёт неудобства: им нельзя пользоваться во время дождя,  плавания в бассейне, к тому же возникают сопутствующие неудобства во время его ношения и обслуживания. Разработка улавливает звук посредством акселерометра, фиксирующего вибрации в костях среднего уха. Обычный кохлеарный имплантат полагается на наружный микрофон, акселерометр же регистрирует вибрации от костей, которые прибор преобразует в направляемые к мозгу сигналы. Размеры прототипа – 2,5×6,2 мм, вес – всего 25 мг. Дальнейшая миниатюризация остановится на 2×2 мм, однако в этом случае потребуется удаление наковальни — маленькой кости в среднем ухе, которая в любом случае нефункциональна у глухих людей. Препятствие кроется в том, что такая операция требует разрешения американского Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств, а это означает, что первые клинические испытания на людях начнутся не раньше, чем через 2-3 года.

ПРОТОТИП БИОНИЧЕСКОГО ГЛАЗА

Кибернетический прогресс коснулся и вопроса человеческого зрения. Учеными из США былразработан глазной протез, заменяющий функции сетчатки глаза в случае ее серьезного повреждения. Устройство Argus II представляет собой камеру, закрепленную на очках.Микрохирурги  вживили в сетчатку глаз 20 пациентов микроэлектроды, передающие сигналы с камеры на нейроны, которые еще сохранились в сетчатке глаза. Качество получаемого изображения пока оставляет желать лучшего и соответствует 60 пикселям –протез дает весьма размытое изображение, однако, это лишь первый его образец. Ученые ожидают, по мере совершенствования данной технологии искусственный глазной протез будет давать все более четкую картинку, что приведет к возможности полной замены глазного яблока их бионическими аналогами. В настоящее время этим прибором пользуются только 50 человек по всему миру, а его цена составляет более 100 тыс.USD.

КАМЕНЬ ПРЕТКНОВЕНИЯ

Человеческий организм устроен так, что в случае попадания в него инородного тела, срабатывает иммунная защита, которая пытается изолировать и отторгнуть чужеродный предмет. Так у 2-3% людей на месте имплантации возникает хроническая инфекция, лечение которой требует применения мощных антибиотиков, а у 3-5% пациентов возможны случаи отторжения протеза, требующие своевременного вмешательства и дорогостоящих препаратов. По этой причине сначала врачи выясняют предрасположенность человека к протезу или имплантату.
Немалый дискомфорт кроется и в источнике энергии: обладателям искусственных конечностей пока что постоянно приходится думать о заряде батареи. Например, коленный протез C-Leg требует перезарядки от сети каждые 45 часов. А вот в случае с искусственным сердцем человек практически зависит от электророзетки.

Кибернетика

Еще одна проблема, мешающая общедоступности описанных технологий, – высокая себестоимость. Подобные покупки за пределами бюджета многих людей, особенно в странах, где страховые компании не покрывают расходы на протезы. К ним относится и Беларусь. Однако здесь ситуация обстоит более сложным образом: страховые агентства не только не предлагают страховку на случай протезирования и имплантации, но и сами зачастую являются не по карману среднестатистическому белорусу. Чтобы подобная услуга появилась на рынке страхования, должны произойти значительные изменения в благосостоянии людей и в их психологии. А пока надежды возлагаются на время, в течение которого датчики и электроника продолжат миниатюризацию наравне со снижением цен. Вероятно, это займет много лет, но в конечном итоге мы увидим автоматизированный протез доступный по всему миру.

Для журнала «Директор», рубрика «Научные технологии»

Маргарита Герасименко

Автор и ведущая блога, ярый путешественник, фотограф, журналист, лауреат литературной премии Союза писателей России 2016.