Revolutionizing Prosthetics

Revolutionizing Prosthetics (с англ. — «Революция в протезировании») — это многолетняя исследовательская программа, инициированная и финансируемая Агентством передовых оборонных исследовательских проектов США (DARPA). Программа была запущена в 2006 году с целью кардинального улучшения функциональности, управления и сенсорной обратной связи в протезах верхних конечностей для военнослужащих, потерявших руки в результате боевых действий. Проект стал одним из наиболее амбициозных в истории биоинженерии, объединив усилия десятков университетов, лабораторий и частных компаний, включая такие организации, как Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL), DEKA Research & Development Corp. и другие. Основной задачей программы было создание протезов, которые по своим возможностям приближались бы к естественной человеческой руке, обеспечивая не только широкий диапазон движений, но и тактильную чувствительность.

История

Предпосылки и запуск

Программа «Revolutionizing Prosthetics» была запущена на фоне роста числа военнослужащих с ампутациями конечностей в ходе войн в Ираке и Афганистане. Традиционные протезы того времени, такие как механические крюки или простые электромеханические устройства, имели ограниченную функциональность и не позволяли выполнять тонкие манипуляции. DARPA, стремясь компенсировать потерю боеспособности у раненых, поставила цель создать протез, управляемый непосредственно нервной системой человека.

Первая фаза (2006–2009)

Первая фаза программы была сосредоточена на разработке двух основных прототипов: «Gen 1» (первое поколение) и «Gen 2» (второе поколение). Прототип «Gen 1», созданный в APL, представлял собой модульную систему, способную выполнять до 25 различных типов захватов. Второй прототип, разработанный компанией DEKA Research (известной созданием сегвея), получил название «DEKA Arm» (или «Luke Arm» в честь Люка Скайуокера из «Звёздных войн»). DEKA Arm управлялся с помощью датчиков давления, размещённых на стопах пользователя, что позволяло управлять протезом без имплантации электродов в нервную ткань.

Вторая фаза (2009–2015)

Вторая фаза программы была сосредоточена на интеграции протезов с нервной системой человека. Исследователи разработали интерфейсы для прямой стимуляции периферических нервов и коры головного мозга. В 2012 году в рамках программы был создан протез, который позволял пациенту чувствовать прикосновения и давление через вживлённые в нервные окончания электроды. В 2014 году DARPA объявила об успешной демонстрации протеза, управляемого непосредственно сигналами мозга через имплантированные в моторную кору микроэлектродные массивы.

Третья фаза и современное состояние (2015 — настоящее время)

С 2015 года программа перешла в стадию клинических испытаний и коммерциализации отдельных технологий. DARPA передала часть разработок в Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для получения разрешений на медицинское применение. В 2019 году DEKA Arm получил одобрение FDA и начал использоваться в реабилитационных центрах. Параллельно продолжаются исследования по созданию беспроводных интерфейсов «мозг-компьютер» и систем сенсорной обратной связи, которые могли бы передавать ощущения температуры и текстуры.

Технологические компоненты

Механическая конструкция

Протезы, созданные в рамках программы, имеют модульную конструкцию, состоящую из плечевого, локтевого, запястного и кистевого сегментов. Каждый сегмент оснащён отдельными электродвигателями (до 10 двигателей в одной руке), что обеспечивает независимое движение пальцев, вращение запястья и сгибание локтя. Материалы включают углеродное волокно, титан и алюминиевые сплавы, что позволяет снизить вес протеза до 3–5 кг (в зависимости от длины и конфигурации).

Системы управления

Существует несколько типов управления протезами, разработанных в рамках программы:

• Миоэлектрическое управление — считывание электрических сигналов с мышц культи с помощью поверхностных электродов. Это наиболее распространённый метод, используемый в коммерческих версиях DEKA Arm.
• Имплантируемые нейроинтерфейсы — вживление в периферические нервы (например, срединный и локтевой) микроэлектродных массивов, которые напрямую передают сигналы от мозга к протезу. Этот метод позволяет управлять протезом с высокой точностью, но требует хирургического вмешательства.
• Управление через кору головного мозга — имплантация электродов в моторную кору (например, в области, отвечающей за движение руки). Сигналы декодируются с помощью алгоритмов машинного обучения и преобразуются в команды для протеза. Этот метод применяется в экспериментальных образцах для пациентов с полной парализацией.

Сенсорная обратная связь

Одним из ключевых достижений программы является создание системы тактильной обратной связи. В протезы встроены датчики давления, температуры и вибрации, сигналы от которых передаются на имплантированные в нервные окончания стимуляторы. В 2015 году в рамках программы был продемонстрирован протез, позволяющий пациенту различать текстуру предметов (например, хлопок, шерсть, пластик) с точностью до 95%.

Классификация протезов

В рамках программы «Revolutionizing Prosthetics» были разработаны несколько типов протезов, различающихся по функциональности и способу управления:

Применение

Военная медицина

Основной целевой аудиторией программы являются военнослужащие с ампутациями верхних конечностей. Протезы используются в реабилитационных центрах Министерства обороны США, таких как Walter Reed National Military Medical Center. По данным DARPA, к 2020 году более 50 ветеранов получили протезы DEKA Arm.

Гражданская медицина

Технологии, разработанные в рамках программы, находят применение и в гражданской медицине. Протезы MPL и DEKA Arm используются в клиниках для пациентов с врождёнными аномалиями конечностей, а также для людей, потерявших руки в результате травм или заболеваний (например, рака костей). В 2021 году компания Mobius Bionics (лицензиат DEKA Arm) начала коммерческие поставки протезов в клиники США и Европы.

Научные исследования

Программа стимулировала развитие смежных областей: нейроинженерии, робототехники, материаловедения и алгоритмов машинного обучения. Разработанные в её рамках интерфейсы «мозг-компьютер» используются в исследованиях по лечению паралича, болезни Паркинсона и эпилепсии.

Критика и ограничения

Несмотря на значительные успехи, программа «Revolutionizing Prosthetics» подвергается критике по нескольким направлениям:

• Высокая стоимость — стоимость одного протеза MPL оценивается в 100–200 тысяч долларов США, что делает его недоступным для большинства пациентов без государственной поддержки.
• Сложность имплантации — нейроинтерфейсы требуют инвазивных хирургических процедур, которые сопряжены с риском инфекций и отторжения имплантатов.
• Ограниченная сенсорная обратная связь — хотя протезы способны передавать тактильные ощущения, они не воспроизводят полный спектр чувствительности человеческой руки (например, восприятие боли или температуры).
• Энергопотребление — протезы с высокой функциональностью требуют частой подзарядки (каждые 4–6 часов активного использования), что ограничивает их применение в полевых условиях.

Интересные факты

• В 2012 году протез MPL был продемонстрирован на пациенте с полной парализацией нижних конечностей, который смог управлять рукой с помощью сигналов мозга, передаваемых по беспроводному каналу.
• DEKA Arm получил своё прозвище «Luke Arm» в честь персонажа фильма «Звёздные войны», который потерял руку и получил механический протез.
• В 2016 году DARPA объявила о создании протеза, который способен передавать ощущение прикосновения к объекту на расстоянии до 10 метров через интерфейс «мозг-компьютер».
• Программа «Revolutionizing Prosthetics» стала основой для создания других проектов DARPA, таких как «Hand Proprioception and Touch Interfaces» (HAPTIX) и «Neural Engineering System Design» (NESD).

Источники

• DARPA. «Revolutionizing Prosthetics Program Overview». Defense Advanced Research Projects Agency, 2006.
• Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory. «Modular Prosthetic Limb: Technical Report». APL, 2015.
• DEKA Research & Development Corp. «DEKA Arm System: User Manual and Clinical Data». DEKA, 2019.
• National Institutes of Health (NIH). «Advances in Neural Prosthetics». NIH, 2020.
• FDA. «Premarket Approval for DEKA Arm System». U.S. Food and Drug Administration, 2019.
• Schwartz, A. B. «Cortical Neural Prosthetics». Annual Review of Neuroscience, 2018.