Технологии возможностей
Текст: Татьяна Петухова | 2017-07-20 | 621
Компания «Моторика» была создана в 2015 году и за короткий срок добилась заметных результатов в области разработки и изготовления высокотехнологичных протезов. Об этих разработках мы поговорили с руководителем стартапа, генеральным директором «Моторики» Ильёй Чехом.

– Илья, у тебя, как инженера-робототехника, имеется опыт работы над роботами разных типов. Почему в итоге ты остановился именно на медицинском направлении?

В рамках нашей первой компании – W.E.A.S. Robotics – мы занимались самыми разнообразными проектами, искали при этом наиболее интересную с точки зрения перспектив и нерешённых проблем нишу. Ориентируясь на общемировые тенденции, мы пришли к выводу, что такой нишей может быть медицинская робототехника – с одной стороны, одна из самых передовых с точки зрения технологий, а с другой – одна из самых востребованных, ведь медицина и реабилитация будут нужны всегда. Возможности развития технологий в этом направлении по сути безграничны и в дальнейшем будут только расширяться. В итоге мы с коллегами включились в благотворительный проект по разработке протеза кисти руки с помощью 3D-печати. Тогда мы ещё не знали ни рынка протезирования, ни функционирующей вокруг него системы. Общаясь со специалистами и нуждающимися в протезах людьми, мы узнали, что с протезированием, особенно детским, в России наблюдается большая проблема. Кроме того, оказалось, что в мире вообще мало кто занимается протезами верхних конечностей, поскольку сегмент этот очень маленький, а технология развивается медленно. Чуть позже стало понятно, что на этом рынке можно ещё и зарабатывать. В результате мы создали отдельную коммерческую компанию, призванную заниматься этим направлением.

– Каким было изначальное видение ваших изделий? Ориентировались ли вы на существующие западные образцы?

С самого начала мы считали, что протез должен быть функциональным, поэтому отвергли косметическое протезирование, при котором изделие компенсирует внешний вид утраченного органа, но не восстанавливает его функциональные возможности. А поскольку мы начали с детского протезирования, то у нас было понимание и того, что такой протез не может быть просто куском пластика телесного цвета. Он должен быть ребёнку интересен, выглядеть как игрушка, иметь привлекательный дизайн и дополнительные функциональные насадки. Ребёнка с обычным протезом сверстники очень часто не воспринимают за своего, и он становится изгоем. Но если протез имеет какие-то интересные особенности, то детьми он воспринимается как уникальный гаджет, обладатель которого автоматически становится центром внимания, притяжения, за счёт чего легко социализируется. С первых дней нашего проекта мы обозначили для себя эту философию и придерживаемся её до сих пор.

Западный рынок протезов мы тоже, конечно, изучили, и главное, на что обратили внимание – это активное использование 3D-печати, правда, в большинстве случаев достаточно старых её вариантов. Мы же решили сразу применить современные промышленные технологии и в итоге получили продукт современного уровня.

– Сколько времени прошло с момента разработки первого прототипа до выпуска серийного образца? И что в этом процессе оказалось самым сложным?

От разработки первого прототипа до изготовления коммерческого протеза у нас ушло примерно 2 года. За это время мы прошли около 12 итераций, то есть изготовили 12 протезов, постепенно улучшая каждый последующий. И даже сейчас каждый новый протез учитывает какие-то недостатки предыдущих.

Но самым сложным оказалось не разработать протез, а понять, как работает рынок протезирования в России: кто и что регулирует, как работать с государством и региональными протезными предприятиями, чтобы любой человек мог получить протез, не приезжая к нам в Москву, причём бесплатно.

– Что представляет собой команда, которая работает над проектом?

Начинали мы это дело вдвоём с партнёром, потом нас стало пятеро, а сейчас уже 19. Одна группа ребят работает с клиентами и государством. Другая группа – инженеры – всё придумывает, разрабатывает, собирает. Одни без других существовать не могут.

В инженерную группу входит врач-протезист, который изготавливает культеприёмную гильзу. Другой врач – научный сотрудник – консультирует нас по биоэлектрическим протезам и вопросам физиологии. Отдельный специалист занимается детской реабилитацией – он разрабатывает весёлые, захватывающие программы реабилитации. Благодаря им детям интересно учиться пользоваться своим протезом и развиваться с ним.

– Каким образом работают ваши устройства?

В настоящий момент мы серийно выпускаем детские тяговые протезы кисти и предплечья. Тяговые протезы работают за счёт усилий самого пользователя, в них нет ни электроники, ни двигателей. Протезы кисти работают за счёт движения лучезапястного сустава, протезы предплечья – за счёт движения в локтевом суставе. Когда человек сгибает сустав, натягиваются тросы и выполняется функция хвата. Причём очерёдность движения пальцев и вид хвата могут меняться, задаваясь специальными механизмами. Угол хвата тоже настраивается. Например, можно сделать так, чтобы хват выполнялся при небольшом сгибе, даже в 10 градусов, либо наоборот – только когда рука полностью согнута в локте.

Последние несколько месяцев мы дорабатываем конструкцию тягового протеза для взрослых – усиленную, более функциональную. Также мы работаем над биоэлектрическими протезами, находясь в процессе тестирования первых их образцов: устанавливаем протезы тестовым пилотам и собираем обратную связь. В отличие от тяговых, биоэлектрические протезы работают за счёт мышечных импульсов. В протезе расположены специальные датчики, которые считывают напряжение мышц, возникающее, когда человек выполняет фантомные жесты, то есть пытается что-то взять, думая об этом. Мозг посылает импульсы, а датчики их распознают, снимая с поверхности кожи. Сигналы обрабатываются процессором, после чего кисть благодаря электродвигателям выполняет тот самый жест, который хочет сделать человек.

Активный тяговый протез кисти состоит из каркасного элемента, который печатается по индивидуальным меркам на 3D-принтере, и приёмной гильзы, которая изготавливается из гипоаллергенных материалов.  

Но протезы верхних конечностей – это только первое направление, которое мы начали развивать. В дальнейшем мы будем заниматься и другими видами медицинской робототехники – это и протезы ног, и экзоскелеты, и роботы-хирурги, и различные вживляемые технологии. Всё это стоит у нас в планах на ближайшие 20 лет.

Кстати, человечество очень давно знакомо с протезированием. Упоминание о протезе встречается даже в Ригведе (древнеиндийский сборник гимнов, составлен около 1700-1100 гг. до н.э.). Книга сообщает, что некая воительница в бою потеряла ногу, и тогда для неё изготовили железную ногу. С протезированием были знакомы и древние египтяне, о чём свидетельствует найденная мумия времён Нового Царства (1550-1069 гг. до н.э.) с искусно выполненным деревянным пальцем на ноге. Но самые известные из ранних форм протезов – это знаменитые пиратские крюки и деревянные ноги.  

– Насколько я понимаю, расшифровка биоэлектрических импульсов подразумевает под собой достаточно серьёзную научную работу. Эти данные находятся в открытом доступе либо же вам пришлось проводить собственные исследования?

Технология снятия импульсов исследовалась ещё в Советском Союзе, и по этому направлению у нас достаточно много консультантов. Главное здесь – понять, на какой мышце располагать датчик, определить мощность сигнала и правильно его обработать.

Физиологические сигналы – это один из видов аналоговых сигналов. Вопросам их снятия и обработки посвящён большой раздел в электронике, где чётко расписано, как сигнал фильтруется, какой диапазон частот применяется для фильтрации, какие операционные усилители используются для усиления сигнала и так далее.

Датчики этих сигналов располагаются в приёмной гильзе – это та часть протеза, которая делается индивидуально. Когда человек одевает протез, датчики касаются нужных мест на его коже. Места эти определяются заранее, и в соответствии с ними в приёмной гильзе вырезаются посадочные точки под датчики. Таким образом датчики всегда расположены в одном месте и всегда касаются одних и тех же участков кожи.

Но большая проблема здесь заключается в том, что в момент сокращения мышц помимо электрических импульсов в организме человека происходят сложные химические преобразования. От того, правильно ли мы учтём их при обработке сигнала, будет зависеть, сколь умным получится наш протез, насколько точно он будет понимать, какой жест человек хочет совершить, и как низок или высок будет процент ошибок.

– Каков уровень локализации сигнала в каждой из точек?

Сигнал идёт по всей длине мышцы, которая расположена в предплечье или в плече. И это достаточно протяжённое расстояние. При некоторых повреждениях, например, электротравмах, мышцы теряют активность и снятие сигнала становится затруднительным. Но всё же в большинстве случаев мышца сохраняется, поэтому нам нужно лишь определить участок, где сигнал максимален по мощности и амплитуде.

Снимаемый потенциал с мышцы может варьироваться в диапазоне от 10-20 до 100 милливольт. Здоровая мышца способна выдавать 100-150 милливольт, а вот мышца после ампутации конечности, особенно если это произошло в детстве, обычно усыхает, и сигнал в этом случае может опуститься вплоть до 10 милливольт. Для работы биоэлектрического протеза, как правило, подходящим считается значение выше 30-40 милливольт. Начиная с этого значения, можно чётко распознать сигнал. Но как бы точно датчик ни располагался на участке кожи, он так или иначе задевает посторонние мышцы. Поэтому очень важна высокая амплитуда именно в этой точке конкретной мышцы, чтобы отличить её от шума сигналов других мышц.

Датчик сигнала имеет в диаметре порядка 10-20 мм, и на предплечье таких датчиков можно расположить от четырёх до восьми. В зависимости от степени сохранности мышц и количества датчиков, мы можем «научить» искусственную кисть делать одно или несколько различных движений, вплоть до того, чтобы «оживить» каждый палец в отдельности.

В отличие от тяговых, биоэлектрические протезы управляются за счёт сигналов, возникающих при сокращении мышц. В приёмную гильзу встраиваются миодатчики, улавливающие изменение электрического потенциала при попытке человека совершить фантомное движение. Эта информация передаётся на микропроцессор кисти, в результате протез выполняет определённый жест или хват.  

– А каким образом при этом регулируется сила сжатия?

Сила сжатия определяется двигателями, которые стоят внутри протеза, а диапазон этой силы зависит от диапазона сигнала, который выдаёт человек, и который мы можем снять с мышцы. Допустим, если диапазон импульса составляет от 40 до 100 милливольт, то на нижней границе сжатие будет еле заметным, а на верхней – сильным. Если мышцы слаборазвиты и диапазон колеблется от 30 до всего лишь 50 милливольт, он всё равно сможет схватить и сильно, и слабо, но диапазон регулировки, чтобы поймать слабое усилие и потом постепенно переключиться на сильное, будет гораздо короче, и поэтому значительно возрастёт вероятность того, что человек что-то пережмёт, раздавит.

То есть программно мы можем задать силу сжатия даже на очень слабых импульсах мышцы, но диапазон регулировки будет малым. В этом случае сложнее реализовать так называемое пропорциональное управление – а это одна из самых важных особенностей, которая должна быть у биоэлектрического протеза, позволяющая человеку плавно контролировать скорость и силу сжатия.

– Следующий шаг в протезировании – это непосредственно сживление мышц с искусственными тканями?

Да, и технологии сживления уже существуют. Есть хорошие электроды, позволяющие воткнуть их непосредственно в мышцу и считать сигнал, но вот технологий, обеспечивающих передачу сигнала обратно в нервную систему, ещё нет, поскольку пока невозможно обеспечить связь между нервными окончаниями и чем-то инородным. Но такое соединение можно сделать не напрямую, а через своеобразный буфер из опять-таки мышечной ткани. К каждой мышце подводятся нервные окончания, которые, с одной стороны, передают сигнал из мозга, и к которым, с другой стороны, можно подключаться, чтобы придать протезу обратную связь, чтобы человек получил тактильные ощущения.

– Насколько современные протезы могут заменить реальную руку человека?

Наш тяговый протез, по оценкам, позволяет выполнять до 50% бытовых операций. С его помощью можно что-то брать, переносить, водить машину, пользоваться иголкой и ниткой… Делать всё это можно не так быстро, как рукой, но тем не менее это возможно.

Потенциальные возможности биоэлектрических протезов значительно шире. Помимо их бытовых разновидностей, в мире есть наработки и по созданию узкоспециализированных, допустим, для создания татуировок или для игры на ударных инструментах. Спрос на такие модификации невелик, поэтому профессиональные производители ими не занимаются – такие протезы изготавливают частные лица.

А вообще в своих разработках мы исходим из того, что протез должен превосходить возможности обычной здоровой руки. С точки зрения взаимодействия с окружающим миром он, как минимум, должен обладать функционалом смартфона и, как максимум, иметь механическую мультифункциональность, когда один элемент можно заменить другим, позволяющим человеку обрести дополнительные функции.

– Если эти задумки будут реализованы, то люди с ограниченными возможностями станут людьми с практически безграничными возможностями?

Именно так. Мы их называем людьми с дополнительными возможностями. Но подобные протезы можно будет надевать и на здоровую руку. Это то, что сегодня называется экзоперчаткой.

– Трудно ли человеку научиться использовать протез?

Чем сложнее протез, тем сложнее им управлять. Если говорить про наши тяговые протезы, то первичное обучение длится порядка 15-30 минут. Затем в течение двух недель ребёнок привыкает к длине своей руки, пониманию того, на каком уровне находятся его пальчики и что нужно сделать, чтобы взять какой-либо предмет.

Для того, чтобы дети как можно быстрее привыкли к новой руке и научились ею пользоваться, в «Моторике» разработаны специальные обучающие и реабилитационные программы.  

С биоэлектрическими протезами всё намного сложнее, потому что здесь необходима перестройка не на уровне рефлексов, как с тяговыми протезами, а на уровне понимания. Поэтому биоэлектрические протезы делаются в основном только для взрослых. Человек должен понять, какие мышцы нужно сокращать и каким образом делать фантомные жесты, чтобы выполнять ту или иную команду. На понимание этого может уйти около полугода. По уровню сложности — это можно сравнить, наверное, с обучением игре на каком-нибудь музыкальном инструменте. Причём нужно научиться не просто нажимать клавиши или дёргать за струны, а делать это так, чтобы звучание получалось плавным и красивым. И в этом главная проблема широкого распространения биоэлектрических протезов – человека сложно заставить активно пользоваться протезом на столь длительном промежутке времени только для того, чтобы у него сформировалось рефлекторное понимание управления искусственной рукой.

– Насколько трудоёмким было получение разрешений на использование ваших изделий?

Когда мы только начинали наш проект, то все нас пугали, что разрешения – это очень долго и очень дорого. Но на деле всё оказалось достаточно просто. Поскольку протезы являются индивидуальными изделиями, они не подлежат медицинской регистрации. В России это характерно для всех индивидуальных средств реабилитации: протез нужно только задекларировать, после чего можно сразу же выходить с ним на рынок. Самое главное – не нужно проводить дорогостоящих клинических испытаний. Но об этом мало кто знает.

– Вы упомянули о том, что люди, которым нужны ваши протезы, могут получить их бесплатно…

Бесплатно можно получить любой протез, который получил декларацию, правда, для этого нужно правильно оформить целую кипу документов. Это достаточно забюрократизированный процесс, в рамках которого нужно решить ряд вопросов с Фондом социального страхования и с медико-социальной экспертизой, которая отвечает за назначение и оплату протезов. Наша компания отличается тем, что мы не только производим протезы, но и тесно работаем со всеми госслужбами, которые отвечают за протезирование.

А вообще для получения бесплатного протеза у человека есть два возможных пути. В первом случае он совместно с нами проходит необходимые конкурсные процедуры в Фонде социального страхования. Во втором случае человек сначала покупает протез, а потом обращается в социальные службы за компенсацией потраченных средств.

– Поскольку при изготовлении протезов вы используете 3D-технологии, то у вас есть возможность без серьёзного увеличения затрат учитывать какие-то индивидуальные особенности и пожелания каждого человека…

Как правило, протез индивидуален с точки зрения конструкции приёмной гильзы, но при этом он одинаков с точки зрения роботизированного модуля кисти и функционала, который он несёт. Но наша концепция подразумевает не только индивидуальную гильзу, но и индивидуальную кисть. Норм, которые бы ограничивали нас в этом, в российском законодательстве нет.

В этой части у нас имеется множество идей и наработок, правда, пока мы их все хорошенько не протестируем, к установке на коммерческое изделие предлагать не будем. Сейчас у нас есть встраиваемый модуль проездного документа, пай-пасс, сим-карта для доступа к интернету и передаче данных. Одно из наших нововведений, которое мы используем во всех разработках, – это взаимодействие протеза с внешними устройствами по беспроводным каналам связи. Ни один другой протез в мире не может подключиться к внешним устройствам, чтобы управлять ими (хотя при этом с внешних устройств (компьютера и телефона) можно управлять самими протезами). Мы же даже в базовой версии встраиваем в датчики bluetooth-модули, благодаря чему человек своими фантомными жестами может управлять не только кистью протеза, но и любым другим цифровым устройством, которое находится в зоне доступа.

Допустим, задать движение радиоуправляемой машинке можно так: зажимаешь руку в кулак – машинка начинает ехать, ослабляешь руку – машинка останавливается. Или пример из производства. Высокофункциональные пяти и шестикоординатные станки обладают возможностью дистанционного подключения к ним. Человек, не касаясь сенсорного экрана, просто три раза сжимает кулак и тем самым запускает программу. Если в протезе есть инерциальный модуль – датчик, который определяет движение кисти в пространстве, – то комбинацией движений он может выбирать режимы работы и делать переключения. И так с любым устройством, оснащённым средствами связи и возможностью принимать управляющие команды.

Привлекательный дизайн и дополнительные функциональные насадки превращают протез в интересный ребёнку современный гаджет. Тяговые протезы тренируют и развивают мышцы ребёнка и подготавливают его к установке биоэлектрического протеза в будущем.  

– В 2016 году в Швейцарии прошёл Кибатлон – первые международные спортивные соревнования для людей, использующих высокотехнологичные протезы. Какие выводы вы сделали из участия в этом мероприятии?

Это новое интересное веяние, и это ещё только предстоит развивать. Передовых разработок на первом Кибатлоне представлено не было – участие в нём принимали коммерческие компании, которые уже давно работают на рынке, и чьи протезные технологии нам хорошо известны. Поэтому главное, что дал нам этот турнир – это понимание, что любой существующий сейчас многофункциональный протез с большим количеством хватов проигрывает в бытовых операциях банальному тяговому протезу. Просто потому, что человек, который пользуется тяговым протезом длительное время, управляет им не задумываясь, на уровне рефлексов. А трасса кибатлона как раз была заточена на бытовые операции.

С другой стороны, это дало нашей компании повод выступить с инициативой ежегодного проведения в России соревнования «Кибатлетика», включающего в себя более технологичные этапы, позволяющие показать не только стандартный функционал руки с точки зрения выполнения бытовых операций, но и какие-то сверхспособности. Сейчас мы создаём в России союз производителей высокотехнологичных средств реабилитации и в дальнейшем будем стараться развивать это направление.