Свое ноу-хау
В прошлом году ННГУ имени Н. И. Лобачевского выиграл грант в размере 26 миллионов рублей на три года. На эти средства ученые и создали экзоскелет.
На проект оригинальной разработки ушло несколько месяцев. Детали конструкции изготавливались на высокотехнологичном металлообрабатывающем фрезерном центре — большом станке с числовым программным устройством для производства металлических изделий. Кстати, эти детали можно назвать уникальными хотя бы потому, что на некоторых в прорезях узнается логотип ННГУ имени Н. И. Лобачевского.
— Детали изготавливались методом проб и ошибок, — отмечает программист Евгений Сергеев. — Некоторые части иногда делали по нескольку дней.
Затем эти части из алюминиевого сплава ученые стали собирать в экзоскелет.
— Он весит 15 килограммов, — рассказывает доцент кафедры информационных технологий и физических исследований научно-производственного центра ННГУ имени Н. И. Лобачевского Сергей Минаев. — Но мы не останавливаемся на достигнутом и пытаемся облегчить конструкцию.
Нижегородские исследователи привнесли в конструкцию собственное ноу-хау — принцип управления экзоскелетом.
— Экзоскелет будет управляться с помощью мозго-машинного интерфейса, который преобразует сигнал мозга в понятный роботу язык, — объясняет сотрудник нейронаучного центра ННГУ имени Н. И. Лобачевского Василий Миронов. — Если человек подумал, что нужно идти вперед, то запускается система управления, которая реализует это движение. Она состоит из математической модели устройства в сочетании с человеком.
Ситуации в реальной жизни бывают разные. И хотя еще многое предстоит сделать, ученые хотят предусмотреть максимум из них. Если человек парализован, то у него нет возможности генерировать сигналы управления для того, чтобы перемещаться с помощью своих конечностей. Создание экзоскелета требует интеграции всех алгоритмов, для того чтобы экзоскелет выполнял функцию, наиболее близкую к функциям человека.
Помощь врачей
Конечно, разработчики конструкции — специалисты ННГУ. Но, создавая приспособление для опорно-двигательного аппарата человека, они должны понимать, как это будет применяться с медицинской точки зрения. А на этот вопрос могут ответить только специалисты.
— В Нижегородском научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии (сейчас ПФМИЦ. — Прим. авт.) давно функционирует отделение биомеханики — оценки движения человека, — говорит руководитель отделения функциональной диагностики, главный невролог министерства здравоохранения Нижегородской области, доктор медицинских наук, профессор, заслуженный врач РФ Анна Белова. — Это единственная клиническая лаборатория в городе. До сих пор мы определяли с помощью биомеханической оценки эффективность и целесообразность оперативных вмешательств. Теперь в ННГУ создают отечественную модель роботизированного устройства (экзоскелет), которое поможет человеку с ослабленными, парализованными мышцами выполнять движения. Большое количество больных — после травм спинного мозга, черепно-мозговах, мозгового инсульта, которым мы не в состоянии восстановить движение, — нуждаются в таких устройствах. К сожалению, законы природы таковы, что не позволяют восстановить проводимость спинного мозга после того, как он был поврежден, например при спинномозговой травме. Таким образом, человек становится обреченным либо лежать, либо сидеть в инвалидном кресле и не ходить, потому что у него не двигаются ноги или слабо работают мышцы. А внешнее устройство помогает многократно усилить работу мышц. Мы помогаем разработчикам экзоскелета определить, что именно нужно скорректировать в конструкции, и оценить эффективность и безопасность роботизированных устройств в биомеханической лаборатории.
Справка
На протяжении всей истории человечества неоднократно возникали идеи по созданию приспособлений, увеличивающих силу человека за счет внешнего каркаса. Можно вспомнить и запатентованный российским изобретателем Николаем Янгом «эластипед», и всевозможные образы из научной фантастики. Однако все это оставалась на уровне идей. И даже созданный американскими учеными в начале 1960-х годов силовой экзоскелет Hardiman оказался недееспособным, и вскоре проект закрыли.
В 1969 году в Югославии появился первый действующий активный экзоскелет на пневматическом приводе. Он был он разработан югославским и сербским ученым профессором Миомиром Вукобратовичем в Институте автоматики и телесвязи имени М. Пупина в Белграде. Его изобретение представляло собой шагающее биотехническое устройство и предназначалось для помощи парализованным людям.
Для доработки и более детального исследований своего изобретения, Миомир Вукобратович обратился к своим советским коллегам. Испытания и исследования экзоскелета проводились в НИИ механики МГУ имени М. В. Ломоносова командой советских ученых. Одновременно осуществлялись и клинические исследования данного экзоскелета специалистами Центрального государственного института ортопедии и травматологии.
В результате было собрано множество полезных данных об эффективности использования экзоскелетов в медицинских целях для реабилитации людей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата и нарушениями локомоторных функций. Более того, в ходе испытаний был предложен ряд усовершенствований конструкции экзоскелета, что повлияло на улучшение качества реабилитации и сокращение издержек. Однако в середине 1980-х годов из-за недостаточного финансирования проект пришлось приостановить.
Возобновление работ произошло только в 2011 году в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы».
Первый функционирующий пассивный экзоскелет первоначально был разработан для нужд МЧС, в частности для работы спасателей и пожарных. Устройство представляет интерес и для вооруженных сил, в качестве экипировки штурмовых отрядов.
В 2013 году команда проекта «ЭкзоАтлет» (российский проект по созданию экзоскелета для увеличения физических возможностей человека), собранная на базе НИИ механики МГУ, активно занялась разработкой медицинской версии экзоскелета для реабилитации и социальной адаптации инвалидов с нарушениями локомоторных функций нижних конечностей.
В 2014 году проект «ЭкзоАтлет» стал победителем ведущего инновационного конкурса России Startup Village, проводимого уже второй год в Сколкове. Проект по созданию экзоскелета для реабилитации людей был признан лучшим среди других 750 проектов со всей России.
Испытания впереди
Первые тесты экзоскелета ученые хотят запустить уже в этом году.
Они будут проходить на базе Приволжского федерального медицинского исследовательского центра, где скоро откроется целая лаборатория биомеханики.
Всего в России таких лабораторий несколько, они находятся в Москве.
Центром нижегородской лаборатории станет видеоанализ движения, где с человека при ходьбе будут снимать все параметры. В зале лаборатории будет находиться система установки видеокамер, передающих данные с датчиков, навешанных на человека.
Раньше в Институте травматологии и ортопедии могли изучать только функции ступни и кисти. А теперь станет возможным проследить именно движение как процесс, что очень важно для улучшения качества жизни людей, имеющих нарушения опорно-двигательного аппарата.
Стоимость оснащения лаборатории составляет примерно 20 миллионов рублей.
Главное — доступность!
— Экзоскелет однозначно будет востребован, — рассказывает заместитель директора по науке и инновационной политике, руководитель научного консультативно-реабилитационного отделения ПФМИЦ, профессор кафедры хирургии факультета повышения квалификации Нижегородской государственной медицинской академии Александр Новиков. — Потому что для пациентов со спинномозговой травмой, совершенно обездвиженных, он будет практически единственным шансом встать на ноги, хотя бы обеспечить независимость в движении в быту, в повседневной жизни.
На сегодня создатели роботизированного устройства преодолевают несколько проблем.
Первая из них: экзоскелет должен иметь автономное питание — от аккумулятора, а не от сети, иначе пациент будет чувствовать себя утюгом, привязанным к розетке, а ведь он и так скован в движении.
Вторая — это проблема управления конструкций. В идеале должно быть так: человек подумал, что ему нужно идти в определенном направлении, и пошел. Как создать связь между мозгом пациента и железом, которое на него навешано? Над этим вопросом сейчас бьются нижегородские ученые.
— Мы как сотрудники Института травматологии и ортопедии рассчитываем, что экзоскелет будет полезен пациентам после тяжелых травм нижних конечностей и даже после замены нескольких суставов на ногах — тазобедренных, коленных и так далее, — продолжает Александр Новиков. — Экзоскелет должен обеспечить пациентам возможность сидеть, стоять, двигаться в заданном направлении. Мы очень надеемся, что удастся создать нашу отечественную систему, конкурентоспособную по отношению к мировым аналогам, причем не только по качеству, но и по цене. Ведь в России таких конструкций пока нет в серийном производстве. За рубежом, кстати, подобные устройства изготавливают в индивидуальном порядке, и единичные пациенты их покупают, поскольку это очень дорогое удовольствие — одно такое устройство стоит сотни тысяч евро! Мы рассчитываем, что экзоскелет может быть дешевле импортных аналогов и для приобретения такого устройства пациентам с нарушениями опорно-двигательного аппарата удастся подключить систему социального обеспечения. В этом случае экзоскелет станет доступным для всех категорий граждан. Иначе теряется всякий смысл в этой разработке — получится железо ради железа.
— Вряд ли экзоскелет сможет стать панацеей, — говорит нижегородец-колясочник Михаил Четвертаков. — Ну, если только в далеком будущем! Поживем — увидим, что покажут результаты испытаний.
— Я, конечно, видела снимки экзоскелета, — отмечает колясочница Алена Бекишева. — Но как можно судить об этом по фотографии! Вот если бы попробовать…
Ирина Белова
Фото Алексея Манянина
