Бертолт Майер сваля лявата си предмишница и ми я дава. Тя е гладка и черна, а ръката има прозрачен силиконов капак, като калъф за iPhone. Под гумената кожа се намират скелетни роботизирани пръсти от вида, какъвто може да видите във филм за научнофантастик - „готиният фактор“, нарича го Майер.
От тази история
[×] ЗАКРИТЕ
Човекът с биони е с изкуствено сърце, способно да изпомпва 2, 5 галона кръв в минута.
Видео: Разгледайте Човека с милиони долари
[×] ЗАКРИТЕ
Една от последните стъпки при създаването на бионичния човек е закрепването на краката и принуждането му да постави единия крак пред другия.
Видео: Как да научим робота да ходи
[×] ЗАКРИТЕ
Инженерите създадоха „робот“, наречен човек Bionic - използвайки протезни крайници и изкуствени органи на стойност 1 милион долара -, за да покажат каква част от човешкото тяло вече може да бъде възстановено с метал, пластмаса и електрическа верига. (Джеймс Чедъл) 
Най-ранните известни изкуствени крайници са били използвани в Египет преди около 3000 години. (Кенет Гарет / National Geographic Stock) 
Едва наскоро започнахме да наблюдаваме експоненциален напредък в протезирането, като ръката на i-крайника, носена от социалния психолог Бертолт Майер, която може да превежда мускулните му сигнали в множество хватки. (Gavin Rodgers / Rex Features / AP Images) 
Човекът Bionic стои висок 6 фута 6 инча и включва изкуствен панкреас, бъбреци и далак. (Джеймс Чедъл) 
Бертолт Майер стои лице в лице с Човека Бионик. Лицето на Майер беше използвано като основа за робота. (Camera Press / James Veysey / Redux) 
Хю Хер, който изгуби краката си при измръзване, докато изкачва планина през 1982 г., е измислил няколко високотехнологични протези, включително изкуствен глезен на BiOM. Той лично използва осем различни протезни крака, специално проектирани за дейности, които включват бягане, плуване и катерене по лед. (Саймън Брути / Sports Illustrated / Гети изображения) 
Фото галерия
Свързано съдържание
- Ще видим ли някога зимен олимпиец в Биони?
Държа ръката в ръка. „Доста е лека“, казвам. "Да, само няколко килограма", отговаря той.
Опитвам се да не гледам пънчето, където трябва да е ръката му. Майер обяснява как работи протезният му крайник. Устройството се задържа чрез засмукване. Силиконовата обвивка на пъна помага да се създаде плътно уплътнение около крайника. „Тя трябва да бъде удобна и едновременно прилепнала“, казва той.
„Мога ли да го докосна?“, Питам аз. "Продължавайте", казва той. Провеждам ръката си по лепкавия силикон и това помага да се разсее тревогата ми - пънът може да изглежда странно, но ръката се чувства силна и здрава.
33-годишният Майер е леко изграден и има тъмни черти и приветливо лице. Родом от Хамбург, Германия, понастоящем живее в Швейцария, той е роден само с инч или около ръката си под левия лакът. Той е носил и изключва протеза крайник, тъй като е бил на 3 месеца. Първият беше пасивен, само за да свикне младият му ум да има нещо чуждо, привързано към тялото му. Когато беше на 5 години, той се сдоби с кука, която контролира с колан през раменете. Той не го носеше много, докато не се присъедини към момчетата, когато беше на 12 години. „Недостатъкът е, че е изключително неудобно, защото винаги носиш сбруята“, казва той.
Тази последна итерация е бионична ръка, като всеки пръст се задвижва от собствения си двигател. Вътре в формованата предмишница са два електрода, които реагират на мускулни сигнали в остатъчния крайник: Изпращането на сигнал на единия електрод отваря ръката, а на другия я затваря. Активирането и на двете дава възможност на Майер да завърти китката безпроблемно на 360 градуса. „Метафората, която използвам за това, е да науча как да паралелно паркирате колата си“, казва той, докато отваря ръката си с вихър. Отначало е малко сложно, но се захващате.
Touch Bionics, производителят на това механично чудо, го нарича i-крайник. Името представлява повече от маркетинг. Подобреният софтуер, по-дълготрайните батерии и по-малките по-ефективни микропроцесори - технологиите, движещи революцията в личната електроника, са поставили началото на нова ера в биониката. В допълнение към протезните крайници, които са по-универсални и удобни за използване от всякога, изследователите са разработили функциониращи прототипи на изкуствени органи, които могат да заемат мястото на далака, панкреаса или белите дробове. И експерименталният имплант, който свързва мозъка към компютър, обещава да се даде контрол на квадриплегиците върху изкуствените крайници. Такива бионични чудеса все по-често ще намират път в нашия живот и телата ни. Никога не сме били толкова заменяеми.
Срещнах се с Майер на един летен ден в Лондон, в двора на фабрика за бисквити от 19 век. Майер е социален психолог в университета в Цюрих, но личните му преживявания с протезирането са му внушили очарование от бионичната технология. Той казва, че през последните пет години се наблюдава експлозия на иновации. Докато разговаряхме с кафе, инженерите работиха върху демонстрация на роман в близка сграда. През последните няколко месеца те събираха протезни крайници и изкуствени органи от цял свят, за да бъдат събрани в една единствена, изкуствена структура, наречена Бионски човек. Можете да видите стряскащите резултати в документален филм, излъчващ се на 20 октомври по Smithsonian Channel.
Инженерите проектираха Bionic Man, за да позволят на няколко негови зависими от човека части да работят без тяло. Например, въпреки че роботът е снабден с i-крайници, той не притежава нервната система или мозъка, за да ги накара да работят. Вместо това Bionic Man може да се управлява дистанционно чрез компютър и специално проектиран интерфейс за хардуер, докато Bluetooth връзка може да се използва за работа на i-крайниците. Независимо от това, роботът ясно показва колко голяма част от телата ни могат да бъдат заменени от вериги, пластмаса и метал. Като добавим към драматичния ефект, лицето на Bionic Man е силиконова реплика на тази на Майер.
Рич Уокър, управляващият директор на проекта, казва, че екипът му е успял да възстанови повече от 50 процента от човешкото тяло. Нивото на напредък в биониката изненада не само него, но и „дори изследователите, които са работили върху изкуствените органи“, казва той. Въпреки че множество изкуствени органи все още не могат да функционират заедно в едно човешко тяло, сценарият е станал достатъчно реалистичен, че биоетиците, теолозите и други се изправят срещу въпроса: Колко от човешкото същество може да бъде заменено и все още да се счита за човек? За мнозина критерият е дали устройство подобрява или пречи на способността на пациента да се свързва с други хора. Има широко съгласие, например, че технологията, която възстановява двигателните функции на жертвата на инсулт или осигурява зрение на слепите, не прави човек по-малко човек. Но какво да кажем за технологията, която един ден би могла да превърне мозъка в полу-органичен суперкомпютър? Или да дарите хора със сетива, които възприемат дължината на вълната на светлината, честотите на звуците и дори видовете енергия, които обикновено са извън нашия обхват? Такива хора вече не могат да бъдат описвани като строго „човешки“, независимо дали подобренията представляват подобрение спрямо първоначалния модел.
Тези големи въпроси изглеждат далеч, когато за пръв път виждам инженери, работещи по Bionic Man. Това все още е безлична колекция от неразглобени части. И все пак ръцете и краката, разположени на дълга черна маса, ясно предизвикват човешката форма.
Самият Майер говори за това качество, описвайки своя i-крайник като първия протез, който е използвал, в който естетиката съответства на инженерството. Той наистина се чувства като част от него, казва той.
Дейвид Гоу, шотландски инженер, създал i-крайника, казва, че едно от най-важните постижения в областта на протезирането кара ампутираните да се чувстват отново цели и вече не се притеснява да бъдат забелязани да носят изкуствен крайник. „Пациентите всъщност искат да се ръкуват с хората“, казва той.
56-годишната Гоу отдавна е очарована от предизвикателството да проектира протеза. След като за кратко работи в отбранителната индустрия, той става инженер в правителствена изследователска болница, опитвайки се да разработи протези с електрическо захранване. Той имаше един от първите си пробиви, докато се опитваше да измисли как да проектира ръка, достатъчно малка за деца. Вместо да използва един централен двигател, стандартният подход, той включи по-малки двигатели в палеца и пръстите. Иновацията както намали размера на ръката, така и проправи пътя за съчленени цифри.
Този модулен дизайн по-късно се превърна в основата на i-крайника: всеки пръст се захранва от 0, 4-инчов мотор, който автоматично се изключва, когато сензорите показват достатъчно налягане за каквото се задържа. Това не само не позволява на ръката да се раздробява, да речем, чаша с пяна, тя дава възможност за различни захващания. Когато пръстите и палецът са спуснати заедно, те създават "захващане за захранване" за пренасяне на големи предмети. Друг хват се формира чрез затваряне на палеца отстрани на показалеца, което позволява на потребителя да държи чиния или (завъртане на китката) да завърти ключ в ключалка. Техник или потребител може да програмира малкия компютър на i-крайника с меню от предварително зададени конфигурации на захвата, всяка от които се задейства от специфично движение на мускулите, което изисква задълбочено обучение и практика, за да се научи. Последната итерация на i-крайника, излязла през изминалия април, отива крачка по-далеч: Приложение, заредено на iPhone, дава на потребителите достъп до меню с 24 различни предварително настроени захващания с натискането на един бутон.
За Хю Хер, биофизик и инженер, който е директор на групата по биомехатроника в лабораторията на Масачузетския технологичен институт в Масачузетс, протезията се подобрява толкова бързо, че той прогнозира, че уврежданията ще бъдат елиминирани до голяма степен до края на 21 век. Ако е така, това ще бъде в не малка част благодарение на самия Хер. Той беше на 17 години, когато беше хванат в виелица, докато се изкачваше на връх Вашингтон в Ню Хемпшир през 1982 г. Той беше спасен след три и половина дни, но дотогава измръзналото бе взело своя път и хирурзите трябваше да ампутират и двете му крака под коленете. Той беше решен да се качи отново на планинско катерене, но рудиментарните протезни крака, на които беше приспособен, бяха способни само на бавно ходене. Така Хер проектирал собствените си крака, оптимизирайки ги, за да поддържа баланс на планинските первази, тесни като дюля. Повече от 30 години по-късно той притежава или съвместно притежава повече от дузина патенти, свързани с протетичните технологии, включително компютърно контролирано изкуствено коляно, което автоматично се адаптира към различни скорости на ходене.
Хер лично използва осем различни вида специализирани протезни крака, предназначени за дейности, които включват бягане, катерене по лед и плуване. Изключително трудно е, според него, да се изработи един протезен крайник, „за да се изпълняват много задачи, както и човешкото тяло.“ Но той вярва, че протеза, способна да „ходи и да бяга, която се изпълнява на нивото на човешкия крак“ е само на едно-две десетилетия.
***
Най-старите известни протези са били използвани преди около 3000 години в Египет, където археолозите са открили издълбан дървен пръст, прикрепен към парче кожа, който може да бъде монтиран на крак. Функционалните механични крайници не се появяват чак през 16 век, когато френски хирург на бойното поле на име Амброаза Паре изобретява ръка с гъвкави пръсти, оперирани от улови и пружини. Той също така изгради крак с механично коляно, който потребителят може да се застопори, докато стои. Но такъв напредък беше изключение. През по-голямата част от човешката история човек, който е загубил крайник, вероятно е ще се поддаде на инфекция и ще умре. Човек, роден без крайник, обикновено беше избегнат.
В Съединените щати именно Гражданската война за пръв път постави протезите в широко приложение. Ампутирането на счупена ръка или крак беше най-добрият начин за предотвратяване на гангрена, а на практикувания хирург бяха необходими само минути, за да приложи хлороформ, да откачи крайника и да зашие клапата. Около 60 000 ампутации бяха извършени както от Север, така и от Юг, със 75 процента на оцеляване. След войната, когато търсенето на протези скочи, правителството се намеси, осигурявайки на ветераните пари, за да плащат за нови крайници. Последвалите войни доведоха до повече напредък. През Първата световна война 67 000 ампутации се извършват само в Германия, а лекарите там разработиха нови оръжия, които могат да дадат възможност на ветераните да се върнат към ръчния труд и фабричната работа. След Втората световна война нови материали като пластмаса и титан проникват в изкуствени крайници. „Можете да намерите големи новости след всеки период на война и конфликти“, казва Хер.
Войните в Ирак и Афганистан не правят изключение. От 2006 г. Агенцията за напреднали научни проекти в областта на отбраната е вложила около 144 милиона долара в протетични изследвания, за да помогне на приблизително 1800 американски войници, претърпели травматична загуба на крайници.
Част от тази инвестиция отиде в най-известното изобретение на Herr, бионен глезен, предназначен за хора, които са загубили един или два крака под коленете. Известно като BiOM и продавано от компанията на Herr iWalk (има много малки букви „аз“, които се движат около индустрията за протезиране), устройството - снабдено със сензори, множество микропроцесори и батерия - подтиква потребителите напред с всяка стъпка, помагайки ампутирани възвръщат загубената енергия, докато вървят. Рой Аарон, професор по ортопедична хирургия в Браунския университет и директор на Центъра за възстановителна и регенеративна медицина Браун / VA, казва, че хората, които използват BiOM, го сравняват с ходенето по пешеходна пътека на летището.
Хер предвижда бъдеще, в което протези като BiOM могат да бъдат слети с човешкото тяло. Ампутираните, на които понякога се налага да търпят разтриване и рани, докато носят своите устройства, един ден може да успеят да прикрепят изкуствените си крайници директно към костите си с титанов прът.
Майкъл Маклофлин, водещ инженер за развитие на усъвършенствани протези в лабораторията за приложна физика на университета Джон Хопкинс, също иска да види бионични крайници, които са по-интегрирани с човешкото тяло. Модулният протезен крайник (MPL), механизъм за изкуствена ръка и ръка, който е построен от лабораторията на Джон Хопкинс, има 26 стави, контролирани от 17 отделни двигателя и „може да прави почти всичко, което може да прави нормален крайник“, казва Маклафлин. Но сложните движения на MPL са ограничени от нивото на технологиите, достъпни за взаимодействие с нервната система на тялото. (Това е сравнимо със притежаването на най-висок клас личен компютър, свързан с бавна интернет връзка.) Необходимо е начин за увеличаване на потока от данни - вероятно чрез установяване на директна връзка към самия мозък.
През април 2011 г. изследователите от Браун постигнаха точно това, когато свързваха роботизирана ръка директно в съзнанието на Кати Хътчинсън, 58-годишна четворка, която не е в състояние да движи ръцете и краката си. Резултатите, заснети на видео, са изумителни: Кати може да вземе бутилка и да я вдигне до устата си, за да пие.
Този подвиг стана възможен, когато неврохирурзите създадоха малка дупка в черепа на Кати и имплантираха сензор с размерите на бебешки аспирин в двигателната й кора, който контролира движенията на тялото. От външната страна на сензора са разположени 96 електрода с тънка коса, които могат да открият електрически сигнали, излъчвани от неврони. Когато човек мисли за изпълнение на конкретна физическа задача - като повдигане на лявата си ръка или хващане на бутилка с дясната ръка - невроните излъчват отчетлив модел електрически импулси, свързани с това движение. В случая на Хатчинсън невролозите първо я помолиха да си представи поредица от движения на тялото; При всяко умствено усилие имплантираните в мозъка й електроди извличаха електрическия модел, генериран от невроните, и го предаваха по кабел към външен компютър в близост до инвалидната му количка. По-нататък изследователите превели всеки модел в команден код за роботизирана рамо, монтирана на компютъра, което й позволява да контролира механичната ръка с ума си. „Цялото проучване е въплътено в един кадър от видеото и това е усмивката на Кати, когато тя сложи бутилката“, казва неврологът на Браун Джон Доногю, който ръководи изследователската програма.
Donoghue се надява това проучване в крайна сметка да даде възможност на мозъка да формира директен интерфейс с бионични крайници. Друга цел е да се разработи имплант, който да записва и предава данни безжично. По този начин ще се елиминира кабелът, който понастоящем свързва мозъка с компютъра, което позволява мобилност за потребителя и намалява риска от инфекция в резултат на проводници, преминаващи през кожата.
Може би най-тежкото предизвикателство, пред което са изправени изобретателите на изкуствени органи, е защитната система на организма. „Ако поставите нещо, имунната система на цялото тяло ще се опита да го изолира“, казва Джоан Тейлър, професор по фармацевтика в университета De Montfort в Англия, който разработва изкуствен панкреас. Гениалното й устройство не съдържа верига, батерии или движещи се части. Вместо това резервоарът с инсулин се регулира от уникална гел бариера, която Тейлър е измислил. Когато нивата на глюкозата се повишат, излишната глюкоза в тъканите на тялото влива гела, причинявайки му омекване и освобождаване на инсулин. След това, когато нивата на глюкозата спадат, гелът отново се втвърдява, намалявайки отделянето на инсулин. Изкуственият панкреас, който би бил имплантиран между най-ниското ребро и тазобедрената става, е свързан с два тънки катетера с пристанище, което се намира точно под повърхността на кожата. На всеки няколко седмици резервоарът на инсулин ще се пълни с помощта на a
спринцовка, която се побира в порта.
Предизвикателството е, че когато Тейлър тества устройството при прасета, имунната система на животните реагира чрез образуване на белези, известни като сраствания. "Те са като лепило за вътрешните органи", казва Тейлър, "причинявайки стеснения, които могат да бъдат болезнени и да доведат до сериозни проблеми." Все пак диабетът е толкова широко разпространен проблем - 26 милиона американци са засегнати - че Тейлър тества теста изкуствен панкреас при животни с внимание към решаването на проблема с отхвърлянето преди започване на клинични изпитвания с хора.
За някои производители на изкуствени органи основният проблем е кръвта. Когато се сблъска с нещо чуждо, се съсирва. Това е особено препятствие за създаването на ефективен изкуствен бял дроб, който трябва да пропуска кръв през малки синтетични епруветки. Тейлър и други изследователи се обединяват със специалисти и хирурзи по биоматериали, които разработват нови покрития и техники за подобряване приемането на чужд материал от организма. „Смятам, че с повече опит и експертна помощ може да се направи“, казва тя. Но преди Тейлър да продължи изследванията си, тя казва, че трябва да намери партньор, който да осигури повече финансиране.
А на частните инвеститори може да се окаже трудно, тъй като може да отнеме години, за да се постигнат технологични пробиви, които правят едно изобретение изгодно. SynCardia Systems, компания в Аризона, която произвежда устройство за изкуствено сърце, способно да изпомпва до 2, 5 галона кръв в минута, е създадено през 2001 г., но не беше в черно до 2011 г. Наскоро разработи портативен компресор с батерия с тегло само 13, 5 паунда, което позволява на пациента да напусне границите на болница. FDA одобри SynCardia Total Artificial Heart за пациенти с крайна фаза на бивентрикуларна недостатъчност, които чакат сърдечна трансплантация.
Производителите на бионични ръце и крака също водят трудна финансова битка. „Имате висококачествен продукт с малък пазар и това го прави предизвикателство“, казва Маклафлин. „Това не е като инвестиране във Facebook или Google; няма да изкарате милиардите си, като инвестирате в протезни крайници. “Междувременно държавните пари за усъвършенствана протеза могат да се засилят през следващите години. „С настъпването на войните финансирането на този вид изследвания ще отпадне“, прогнозира ортопедът Рой Аарон.
Тогава има разходи за закупуване на протезен крайник или изкуствен орган. Скорошно проучване, публикувано от Политехническия институт в Уорчестър, установи, че роботизираните протези на горните крайници струват от 20 000 до 120 000 долара. Въпреки че някои частни застрахователни компании ще покрият от 50 до 80 процента от таксата, други имат ограничения за плащане или покриват само едно устройство в живота на пациента. Застрахователните компании също са известни с въпроса дали най-модерните протези са „медицински необходими“.
Хер смята, че застрахователните доставчици трябва радикално да преосмислят своите анализи на разходите и ползите. Въпреки че най-новите бионични протези са по-скъпи за единица от по-малко сложни устройства, твърди той, те намаляват изплащанията на здравните грижи през целия живот на пациента. „Когато ампутираните крака използват протези с ниски технологии, те развиват ставни състояния, артрит на коляното, артрит на тазобедрената става и те са на непрекъснато лечение на болка“, казва Хер. "Те не ходят толкова много, защото ходенето е трудно и това води до сърдечно-съдови заболявания и затлъстяване."
Други тенденции обаче предполагат, че изкуствените крайници и органи могат да продължат да се подобряват и да станат по-достъпни. В развития свят хората живеят по-дълго от всякога и все повече се сблъскват с неуспехи на една или друга част на тялото. Причината номер едно за ампутация на долните крайници в САЩ не е война, а диабет, който в по-късните си етапи - особено сред възрастните хора - може да попречи на кръвообращението до крайниците. Нещо повече, Donoghue вярва, че мозъчно-протетичният интерфейс, върху който работи, може да се използва от пациенти с инсулт и хора с невродегенеративни заболявания, за да помогне за възстановяване на някаква степен на нормалност в живота им. "Все още не сме там", признава Доногю и добавя: "Ще дойде време, когато човек получи инсулт и ако не можем да го поправим биологично, ще има възможност да се сдобие с технология, която да пренастрои мозъка им" . "
Повечето от тези технологии все още са далеч от години, но ако някой се възползва, това ще бъде Патрик Кейн, приказлив 15-годишен с кофти очила и мъглива руса коса. Малко след раждането той е поразен от масивна инфекция, която принуждава лекарите да му отстранят лявата ръка и част от десния крак под коляното. Кейн е един от най-младите хора, който е снабден с протеза на i-крайник от вида, който ми показа Майер.
Нещото, което Кейн харесва най-много, е начинът, по който го кара да се чувства. „Преди това погледите ми бяха„ О, какво му се случи? Горкият му, „нещо подобно“, казва той, докато седим в кафене в Лондон. "Сега е" Ооо? Какво е това? Чудесно е! "" Сякаш на опашка, възрастен мъж на съседната маса звъни: "Трябва да ви кажа нещо, изглежда невероятно. Това е като ръка на Батман! ”Кейн прави демонстрация за мъжа. Подобна технология е толкова за промяна на начина, по който хората го виждат, както и за промяна на това, което той може да направи.
Питам Кейн за някои от далечните аванси, които може да му бъдат на разположение през следващите десетилетия. Би ли искал крайник, който е затегнат към скелетната му система? Не точно. „Харесва ми идеята, че мога да го сваля и да бъда отново аз“, казва той. Какво ще кажете за протезната ръка, която би могла да взаимодейства директно с мозъка му? "Мисля, че това би било много интересно", казва той. Но той би се притеснил, че нещо ще се обърка.
В зависимост от това, което се случва след това, бъдещето на Кейн може да бъде изпълнено с технологични чудеса - нови ръце и крака, които го приближават или дори отвъд възможностите на така наречения работоспособен човек. Или напредъкът може да не дойде толкова бързо. Докато го гледам как се изкачва през пътя до автобусната спирка, ми хрумна, че и в двата случая ще се оправи.
