Бертольт Мейер снимает свое левое предплечье и дает его мне. Он гладкий и черный, а рука имеет прозрачную силиконовую крышку, как чехол для iPhone. Под резиновой кожей находятся скелетные пальцы-роботы, подобные тем, которые вы можете увидеть в научно-фантастическом фильме - «крутой фактор», называет это Мейер.
Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
Бионический человек имеет искусственное сердце, способное качать 2, 5 галлона крови в минуту.
Видео: исследуйте человека за миллион долларов
[×] ЗАКРЫТЬ
Один из последних шагов в создании бионического человека - это прикрепить ноги и заставить их поставить одну ногу перед другой.
Видео: Как научить робота ходить
[×] ЗАКРЫТЬ
Инженеры создали «робота» под названием «Бионический человек», использующего протезы и искусственные органы стоимостью 1 миллион долларов, чтобы продемонстрировать, сколько человеческого тела теперь можно восстановить с помощью металла, пластика и схемотехники. (Джеймс Чидл) 
Самые ранние из известных протезов были использованы в Египте около 3000 лет назад. (Кеннет Гарретт / National Geographic Stock) 
Только недавно мы стали свидетелями экспоненциального развития протезирования, такого как рука i-конечности, которую носит социальный психолог Бертольт Майер, который может переводить его мышечные сигналы в несколько захватов. (Гэвин Роджерс / Rex Features / AP Images) 
Бионический Человек имеет рост 6 футов 6 дюймов и включает в себя искусственную поджелудочную железу, почку и селезенку. (Джеймс Чидл) 
Бертольт Мейер стоит лицом к лицу с Бионическим Человеком. Лицо Мейера использовалось в качестве основы для робота. (Camera Press / Джеймс Вейси / Redux) 
Хью Херр, который потерял ноги от обморожения во время альпинизма в 1982 году, изобрел несколько высокотехнологичных протезов, в том числе искусственную лодыжку BiOM. Он лично использует восемь различных протезов, специально разработанных для занятий бегом, плаванием и ледолазанием. (Саймон Брути / Спорт Иллюстрированный / Getty Images) 
Фотогалерея
Связанный контент
- Увидим ли мы когда-нибудь зимнего бионического олимпийца?
Я держу руку в руке. «Это довольно легко», - говорю я. «Да, всего пара фунтов», - отвечает он.
Я стараюсь не смотреть на пень, где должна быть его рука. Мейер объясняет, как работает его протез. Устройство удерживается всасыванием. Силиконовая оболочка на пне помогает создать плотное уплотнение вокруг конечности. «Это должно быть удобно и уютно одновременно», - говорит он.
«Могу ли я прикоснуться к нему?» - спрашиваю я. «Давай, - говорит он. Я провожу рукой по липкому силикону, и это помогает рассеять мое беспокойство - пень может выглядеть странно, но рука чувствует себя сильной и здоровой.
Мейер, 33 года, немного сложен, у него темные черты лица и дружелюбное лицо. Уроженец Гамбурга, Германия, в настоящее время живущий в Швейцарии, он родился всего на дюйм ниже левой руки. Он носил и протезировал конечности с 3 месяцев. Первый был пассивным, просто чтобы его молодой ум привык к чему-то инородному, привязанному к его телу. Когда ему было 5 лет, он получил крюк, который он контролировал с помощью ремня на плечах. Он не носил его много, пока не присоединился к бойскаутам, когда ему было 12 лет. «Недостатком является то, что это крайне неудобно, потому что вы всегда носите ремни», - говорит он.
Эта последняя итерация представляет собой бионическую руку, каждый палец которой приводится в движение собственным двигателем. Внутри отлитого предплечья находятся два электрода, которые реагируют на мышечные сигналы в остаточной конечности: отправка сигнала одному электроду открывает руку, а другому закрывает ее. Активация обоих позволяет Мейеру повернуть запястье на 360 градусов. «Метафора, которую я использую для этого, заключается в том, чтобы учиться параллельному паркованию вашего автомобиля», - говорит он, открывая руку с грохотом. Сначала это немного сложно, но вы поняли это.
Touch Bionics, создатель этого механического чуда, называет его i-limb. Имя представляет больше, чем маркетинг. Усовершенствованное программное обеспечение, более долговечные батареи и меньшие, более энергоэффективные микропроцессоры - технологии, ведущие революцию в персональной электронике - открыли новую эру в бионике. В дополнение к протезам, которые являются более универсальными и удобными для пользователя, чем когда-либо прежде, исследователи разработали функционирующие прототипы искусственных органов, которые могут заменить селезенку, поджелудочную железу или легкие. А экспериментальный имплантат, соединяющий мозг с компьютером, обещает дать квадриплегике контроль над протезами. Такие чудеса бионики будут все больше проникать в нашу жизнь и наши тела. Мы никогда не были такими заменяемыми.
Я встретил Мейера в летний день в Лондоне во дворе фабрики печенья 19-го века. Мейер - социальный психолог в Университете Цюриха, но его личный опыт с протезированием привил ему увлечение бионическими технологиями. Он говорит, что в последние пять лет, в частности, произошел взрыв инноваций. Пока мы болтали за кофе, инженеры работали над демонстрацией романа в соседнем здании. В течение последних нескольких месяцев они собирали протезы и искусственные органы со всего мира, чтобы собрать их в единую искусственную структуру под названием Бионический Человек. Вы можете увидеть поразительные результаты в документальном эфире 20 октября на Смитсоновском канале.
Инженеры разработали Bionic Man, чтобы несколько его зависимых от человека частей могли работать без тела. Например, хотя робот оснащен i-конечностями, он не обладает нервной системой или мозгом, чтобы заставить их работать. Вместо этого Bionic Man может управляться дистанционно через компьютер и специально разработанное интерфейсное оборудование, в то время как соединение Bluetooth может использоваться для управления i-конечностями. Тем не менее, робот наглядно демонстрирует, сколько наших тел можно заменить цепями, пластиком и металлом. В дополнение к драматическому эффекту, лицо Бионического Человека является силиконовой копией Мейера.
Рич Уолкер, управляющий директор проекта, говорит, что его команде удалось восстановить более 50 процентов человеческого тела. Уровень прогресса в бионике удивил не только его, но и «даже исследователей, которые работали над искусственными органами», говорит он. Хотя несколько искусственных органов еще не могут функционировать вместе в одном человеческом теле, сценарий стал достаточно реалистичным, так что биоэтики, теологи и другие сталкиваются с вопросом: сколько человек может быть заменено и все еще считаться человеком? Для многих критерий заключается в том, увеличивает ли устройство способность пациента мешать другим людям. Существует широкое согласие, например, что технология, которая восстанавливает двигательные функции жертвы инсульта или обеспечивает зрение слепым, не делает человека менее человечным. Но как насчет технологии, которая может однажды превратить мозг в полуорганический суперкомпьютер? Или наделить людей чувствами, которые воспринимают длины волн света, частоты звуков и даже типы энергии, которые обычно находятся за пределами нашей досягаемости? Такие люди больше не могут быть описаны как строго «люди», независимо от того, представляют ли такие улучшения улучшение по сравнению с исходной моделью.
Эти большие вопросы кажутся далёкими, когда я впервые вижу инженеров, работающих над Bionic Man. Это все еще безликая коллекция разобранных частей. И все же руки и ноги на длинном черном столе явно напоминают человеческий облик.
Сам Мейер говорит об этом качестве, описывая свою i-конечность как первое протезирование, в котором эстетика сочетается с разработкой. Это действительно похоже на его часть, говорит он.
Дэвид Гоу, шотландский инженер, создавший i-конечность, говорит, что одним из самых значительных достижений в области протезирования стало то, что люди с ампутированными конечностями снова почувствовали себя цельными и больше не смущены тем, что их видят в протезах. «Пациенты действительно хотят пожать руку людям», - говорит он.
56-летняя Гоу давно увлечена проблемой создания протезов. После непродолжительной работы в оборонной промышленности он стал инженером в правительственной исследовательской больнице, пытаясь разработать протезы с электрическим приводом. У него был один из первых прорывов, когда он пытался понять, как создать руку, достаточно маленькую для детей. Вместо использования одного центрального двигателя, стандартного подхода, он включил меньшие двигатели в большой палец и пальцы. Инновация уменьшила размер руки и проложила путь для сочлененных цифр.
Эта модульная конструкция впоследствии стала основой для i-конечности: каждый палец приводится в действие 0, 4-дюймовым мотором, который автоматически отключается, когда датчики показывают, что к тому, что удерживается, подается достаточное давление. Это не только предотвращает раздавливание руки, скажем, пенопластовой чашкой, но и позволяет использовать различные захваты. Когда пальцы и большой палец опущены вместе, они создают «силовую хватку» для переноски крупных предметов. Другой захват формируется путем закрывания большого пальца на стороне указательного пальца, что позволяет пользователю держать тарелку или (вращая запястье) поворачивать ключ в замке. Техник или пользователь может запрограммировать небольшой компьютер i-limb с помощью меню предустановленных конфигураций захвата, каждая из которых запускается определенным движением мышц, которое требует обширной тренировки и практики для обучения. Последняя итерация i-limb, выпущенная в апреле этого года, продвинулась еще дальше: приложение, загруженное на iPhone, дает пользователям доступ к меню из 24 различных предустановленных ручек одним нажатием кнопки.
По мнению Хью Херра, биофизика и инженера, который является директором группы биомехатроники в Медиа лаборатории Массачусетского технологического института, протезирование улучшается настолько быстро, что он предсказывает, что инвалидность будет в значительной степени устранена к концу 21-го века. Если так, то это будет в немалой степени благодаря самому герру. Ему было 17 лет, когда он попал в метель во время восхождения на гору Вашингтон в Нью-Гемпшире в 1982 году. Он был спасен через три с половиной дня, но к тому времени отморожение взяло свое, и хирургам пришлось ампутировать оба его тела. ноги ниже колен. Он был полон решимости снова заняться альпинизмом, но элементарные протезы, на которые он был нацелен, были способны только к медленной ходьбе. Таким образом, герр спроектировал свои собственные ноги, оптимизируя их, чтобы поддерживать равновесие на горных уступах, столь же узких, как копейки. Более 30 лет спустя он владеет или совместно владеет более десятка патентов, связанных с технологиями протезирования, включая искусственное колено с компьютерным управлением, которое автоматически адаптируется к различным скоростям ходьбы.
Герр лично использует восемь различных видов протезов ног, предназначенных для занятий бегом, ледолазанием и плаванием. По его словам, чрезвычайно сложно спроектировать одну протезную конечность, «чтобы выполнять множество задач так же, как и тело человека». Но он считает, что протез, способный «и ходить, и бегать, который выполняет на уровне человеческой ноги», всего один или два десятилетия.
***
Древнейшее из известных протезов было использовано около 3000 лет назад в Египте, где археологи обнаружили резной деревянный носок, прикрепленный к куску кожи, который можно было надеть на ногу. Функциональные механические конечности появились только в 16 веке, когда французский хирург на поле боя по имени Амбруаз Паре изобрел руку с гибкими пальцами, управляемыми защелками и пружинами. Он также построил ногу с механическим коленом, которое пользователь мог зафиксировать на месте стоя. Но такие достижения были исключением. На протяжении большей части истории человечества человек, потерявший конечность, мог умереть от инфекции. Человек, рожденный без конечности, обычно избегали.
В Соединенных Штатах именно гражданская война впервые широко использовала протезирование. Ампутация разбитой руки или ноги была лучшим способом предотвращения гангрены, и опытному хирургу понадобилось всего несколько минут, чтобы ввести хлороформ, отрубить конечность и закрыть клапан. Около 60 000 ампутаций были выполнены как на севере, так и на юге, с выживаемостью 75%. После войны, когда спрос на протезирование взлетел до небес, правительство вмешалось, предоставив ветеранам деньги для оплаты новых конечностей. Последующие войны привели к большему прогрессу. Во время Первой мировой войны в одной только Германии было проведено 67 000 ампутаций, и там врачи разработали новое оружие, которое могло бы позволить ветеранам вернуться к физическому труду и фабричной работе. После Второй мировой войны новые материалы, такие как пластик и титан, превратились в протезы. «Вы можете найти серьезные инновации после каждого периода войны и конфликта», - говорит г-н Херр.
Войны в Ираке и Афганистане не являются исключением. С 2006 года Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны выделило около 144 миллионов долларов на исследования в области протезирования, чтобы помочь примерно 1800 американским солдатам, которые пострадали от травмы конечности.
Часть этих инвестиций пошла на самое выдающееся изобретение Герра, бионическую лодыжку, предназначенную для людей, которые потеряли одну или обе ноги ниже колен. Устройство, известное как BiOM и продаваемое компанией Herr iWalk (в настоящее время в индустрии протезирования используется множество строчных букв «i»), оснащенное датчиками, несколькими микропроцессорами и батареей, продвигает пользователей вперед с каждым шагом, помогая люди с ампутированной конечностью возвращают потерянную энергию, когда они идут. Рой Аарон, профессор ортопедической хирургии в Университете Брауна и директор Центра восстановительной и регенеративной медицины им. Брауна / Вирджинии, говорит, что люди, использующие BiOM, сравнивают его с движением по движущейся дорожке в аэропорту.
Герр предвидит будущее, в котором протезы, такие как BiOM, могут быть объединены с человеческим телом. Люди с ампутированными конечностями, которым иногда приходится переносить раздражения и язвы при ношении своих устройств, могут однажды прикрепить свои протезы непосредственно к костям с помощью титанового стержня.
Майкл Маклафлин, инженер, занимающийся разработкой передовых протезов в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса, также хочет видеть бионические конечности, которые более интегрированы в организм человека. Модульная протезная конечность (MPL), искусственный механизм руки и руки, созданный лабораторией Джона Хопкинса, имеет 26 суставов, управляемых 17 отдельными моторами, и «может делать практически все, что может делать нормальная конечность», - говорит Маклафлин. Но сложные движения MPL ограничены уровнем технологий, доступных для взаимодействия с нервной системой организма. (Это сравнимо с владением первоклассным персональным компьютером, подключенным к медленному интернет-соединению.) Необходим способ увеличить поток данных - возможно, путем установления прямой восходящей линии связи с самим мозгом.
В апреле 2011 года исследователи из Брауна достигли именно этого, когда подключили роботизированную руку прямо к голове Кэти Хатчинсон, 58-летней четвероногой женщины, которая не может двигать руками и ногами. Результаты, запечатленные на видео, поразительны: Кэти может взять бутылку и поднести ее ко рту, чтобы выпить.
Этот подвиг стал возможен, когда нейрохирурги создали маленькую дырочку в черепе Кэти и внедрили в моторную кору датчик размером с маленького аспирина, который контролирует движения тела. На внешней стороне датчика находятся 96 тонких волосковых электродов, которые могут обнаруживать электрические сигналы, испускаемые нейронами. Когда человек думает о выполнении определенной физической задачи - например, поднимая левую руку или хватая бутылку правой рукой - нейроны испускают четкую схему электрических импульсов, связанных с этим движением. В случае с Хатчинсоном нейробиологи сначала попросили ее представить серию движений тела; с каждым умственным усилием электроды, вживленные в ее мозг, улавливали электрический паттерн, генерируемый нейронами, и передавали его по кабелю на внешний компьютер рядом с ее инвалидной коляской. Затем исследователи перевели каждый шаблон в командный код для роботизированной руки, установленной на компьютере, что позволило ей контролировать механическую руку своим разумом. «Все исследование представлено в одном кадре видео, и это улыбка Кэти, когда она опускает бутылку», - говорит нейробиолог Браун Джон Донохью, который руководит исследовательской программой.
Донохью надеется, что это исследование в конечном итоге позволит мозгу сформировать прямой контакт с бионическими конечностями. Другой целью является разработка имплантата, который может записывать и передавать данные без проводов. Это позволило бы устранить шнур, который в настоящее время соединяет мозг с компьютером, обеспечивая мобильность для пользователя и снижая риск заражения, возникающего из-за проводов, проходящих через кожу.
Пожалуй, самая сложная задача, стоящая перед изобретателями искусственных органов, - это система защиты организма. «Если вы добавите что-то, иммунная система всего организма попытается изолировать это», - говорит Джоан Тейлор, профессор фармацевтики в университете Де Монтфорт в Англии, который разрабатывает искусственную поджелудочную железу. Ее оригинальное устройство не содержит схем, батарей или движущихся частей. Вместо этого резервуар инсулина регулируется уникальным гелевым барьером, который изобрел Тейлор. Когда уровень глюкозы повышается, избыток глюкозы в тканях организма наполняет гель, заставляя его размягчаться и выделять инсулин. Затем, когда уровень глюкозы падает, гель вновь затвердевает, уменьшая выделение инсулина. Искусственная поджелудочная железа, которая была бы имплантирована между нижним ребром и бедром, соединена двумя тонкими катетерами с отверстием, которое находится непосредственно под поверхностью кожи. Каждые несколько недель резервуар инсулина будет пополняться с помощью
шприц, который подходит в порт.
Проблема заключается в том, что, когда Тейлор тестировал устройство на свиньях, иммунная система животных реагировала, формируя рубцовую ткань, известную как спайки. «Они подобны клею на внутренних органах, - говорит Тейлор, - вызывая сужения, которые могут быть болезненными и приводить к серьезным проблемам». Тем не менее, диабет является такой распространенной проблемой - страдают до 26 миллионов американцев, - что Тейлор тестирует искусственная поджелудочная железа у животных, стремящихся решить проблему отторжения, перед началом клинических испытаний с людьми.
Для некоторых производителей искусственных органов главной проблемой является кровь. Когда он сталкивается с чем-то чужим, он сворачивается. Это особое препятствие для создания эффективного искусственного легкого, которое должно пропускать кровь через крошечные синтетические трубки. Тейлор и другие исследователи объединяются со специалистами по биоматериалам и хирургами, которые разрабатывают новые покрытия и методы для улучшения восприятия организмом чужеродного материала. «Я думаю, что с большим опытом и экспертной помощью это можно сделать», - говорит она. Но прежде чем Тейлор сможет продолжить свои исследования, она говорит, что ей нужно найти партнера, чтобы обеспечить больше финансирования.
А с частными инвесторами может быть трудно найти, так как могут потребоваться годы, чтобы достичь технологических прорывов, которые делают изобретение прибыльным. SynCardia Systems, Аризонская компания, которая производит устройство для искусственного сердца, способное перекачивать до 2, 5 галлонов крови в минуту, была основана в 2001 году, но до 2011 года не существовала. Она недавно разработала портативный компрессор с батарейным питанием весом всего 13, 5. фунтов, что позволяет пациенту покинуть пределы больницы. FDA одобрило SynCardia Total Artificial Heart для пациентов с терминальной стадией бивентрикулярной недостаточности, которые ожидают пересадки сердца.
Производители бионических рук и ног также ведут тяжелую финансовую битву. «У вас есть высококачественный продукт с небольшим рынком, и это делает его сложным», - говорит Маклафлин. «Это не то же самое, что инвестировать в Facebook или Google; Вы не собираетесь зарабатывать свои миллиарды, вкладывая деньги в протезы ». Между тем, государственные деньги на передовые протезы могут стать более жесткими в ближайшие годы. «По мере прекращения войн финансирование таких исследований будет прекращено», - прогнозирует хирург-ортопед Рой Аарон.
Тогда есть стоимость покупки протеза или искусственного органа. Недавнее исследование, опубликованное Вустерским политехническим институтом, показало, что протезирование роботизированной верхней конечности стоит от 20 000 до 120 000 долларов. Хотя некоторые частные страховые компании покрывают от 50 до 80 процентов комиссии, другие имеют ограничения по оплате или покрывают только одно устройство в жизни пациента. Известно также, что страховые компании задают вопрос, являются ли самые передовые протезы «необходимыми с медицинской точки зрения».
Герр считает, что поставщики страховых услуг должны кардинально переосмыслить свой анализ затрат и выгод. Хотя новейшие бионические протезы стоят дороже на единицу, чем менее сложные устройства, утверждает он, они сокращают расходы на медицинское обслуживание в течение всей жизни пациента. «Когда люди с ампутированными конечностями используют протезы с низкой технологичностью, они заболевают суставами, артритом коленного сустава, тазобедренным артритом и постоянно принимают обезболивающие препараты», - говорит Герр. «Они не ходят так много, потому что ходьба трудна, и это приводит к сердечно-сосудистым заболеваниям и ожирению».
Другие тенденции, однако, предполагают, что протезы и органы могут продолжать совершенствоваться и стать более доступными. В развитом мире люди живут дольше, чем когда-либо, и они все чаще сталкиваются с проблемами той или иной части тела. Причиной ампутации нижних конечностей в Соединенных Штатах является не война, а диабет, который на более поздних стадиях, особенно среди пожилых людей, может затруднить кровообращение в конечностях. Более того, Донохью считает, что интерфейс мозга и протеза, над которым он работает, может использоваться пациентами, перенесшими инсульт, и людьми с нейродегенеративными заболеваниями, чтобы помочь восстановить некоторую степень нормальной жизни. «Мы еще не там», - признается Донохью, добавляя: «Придет время, когда у человека случится инсульт, и если мы не сможем его вылечить биологически, будет возможность получить технологию, которая перенастроит его мозг». «.
Большинству из этих технологий еще далеко, но если кому-то это будет выгодно, это будет Патрик Кейн, разговорчивый 15-летний подросток с короткими очками и тонкими светлыми волосами. Вскоре после рождения он был поражен массивной инфекцией, которая вынудила врачей убрать левую руку и часть правой ноги ниже колена. Кейн - один из самых молодых людей, которым был установлен протез на I-конечности, подобный тому, который мне показал Мейер.
Больше всего Кейну нравится то, как он себя чувствует. «Раньше взгляды, которые я получал, были« О, что с ним случилось? Плохо ему, «вроде как», - говорит он, сидя в лондонском кафе. «Теперь это« Ооо? Что это такое? Это круто! ». Как будто по сигналу, пожилой мужчина за соседним столом вмешивается:« Я должен сказать вам кое-что, это выглядит потрясающе. Это как рука Бэтмена! »Кейн проводит демонстрацию для мужчины. Такая технология - это как изменение того, как люди видят его, так и изменение того, что он может сделать.
Я спрашиваю Кейна о некоторых далеко идущих достижениях, которые могут быть ему доступны в ближайшие десятилетия. Хочет ли он конечность, прикрепленную к его скелетной системе? На самом деле, нет. «Мне нравится идея, что я могу снять ее и снова стать собой», - говорит он. Как насчет протезной руки, которая могла бы напрямую взаимодействовать с его мозгом? «Я думаю, это было бы очень интересно», - говорит он. Но он будет беспокоиться, что что-то пойдет не так.
В зависимости от того, что произойдет дальше, будущее Кейна может быть наполнено технологическими чудесами - новыми руками и ногами, которые приближают его или даже превосходят возможности так называемого трудоспособного человека. Или прогресс может прийти не так быстро. Когда я наблюдаю, как он бросается через дорогу к автобусной остановке, мне приходит в голову, что с ним все будет в порядке в любом случае.
