Array

Нервы для киборга

Психиатр Натан Клайн и инженер Манфред Клинес, придумавшие слово «киборг» в 1960 году, представляли себе могущественных полулюдей-полуроботов, которые обладают невиданной силой и «суперспособностями». Только став киборгом, считали они, человек сможет действительно освоить космическое пространство.

Однако идея дополнить человеческий организм машинными компонентами оказалась востребована не только и не столько в космосе. Слишком многим людям это дополнение нужно не для того, чтобы стать суперменом, а чтобы вернуть себе простые человеческие способности  например, способность достать ключи из кармана.

Galvani_3_754.jpg
 

Десятки миллионов людей в мире пережили ампутацию одной или нескольких конечностей. До второй половины ХХ века им всем пришлось бы довольствоваться вместо руки куском дерева или металла, которым можно было как-то орудовать, но не делать тонкие операции. Теперь прогресс в области робототехники позволяет делать механические руки, которые способны работать почти так же, как настоящие — они могут шевелить пальцами и хватать предметы. Бионические протезы рук становятся все более и более распространенными. Но до сих пор не найдено технически удовлетворительного решения главной проблемы  подключения роботизированной конечности к человеку.

Galvani_2_grop.jpg

Как заставить электронно-механическую руку слушаться команд от человеческих нервов? Инженеры и врачи использовали множество разных подходов  вживляли электроды, пытались снимать электрические сигналы непосредственно с нервов, с мышц, пробовали подчинить протезы сокращениям оставшихся мышц. В конечном итоге, рано или поздно им удавалось достичь успеха. Но во всех случаях требовался многомесячный процесс обучения протеза и пациента навыкам совместной работы. Даже сейчас, когда бионические протезы делают уже не в лабораториях, а в цехах, когда этим занимаются крупные компании, взаимное «обучение» остается сложным и трудоемким процессом  в первую очередь, для самого пациента.

Команда GalvaniBionix, состоящая из студентов и аспирантов МФТИ во главе с Тимуром Бергалиевым, поставила себе задачу облегчить процесс взаимной адаптации, сделать его максимально простым и быстрым.«До сих пор человек учился управлять протезом, понимать его. Мы же делаем систему, понимающую человека»,  говорит Бергалиев.

galvani_1_crop.jpg

Прибор, созданный его командой, регистрирует и обрабатывает электромиограммы, то есть электрические сигналы, возникающие в мышечных клетках. С помощью алгоритмов машинного обучения программа учится правильно распознавать те или иные «мышечные команды», подстраиваясь под конкретного человека.

Группа Бергалиева уже проверила, как прототип устройства работает под управлением человека с ампутированной конечностью  ему удалось с помощью «мышечных сигналов» перемещать курсор по экрану.

Костяк команды  четверо выпускников Физтеха: Тимур Бергалиев, Евгений Жванский,  Анатолий Костин и Никита Орлов. У них родилась идея создать междисциплинарный проект на стыке биофизики, электроники и анализа данных. Полномасштабная работа началась в сентябре 2014 года. Финансирование шло из их собственного кармана, кроме того, были получены средства из фонда студенческих проектов Программы 5–100 и от Фонда Бортника.

Уже в апреле 2015 года проект выиграл российский этап конкурса Microsoft ImagineCup-2015, но впереди еще отбор на международный этап этого конкурса в Сиэтле. 

Команда GalvaniBionix подписала соглашение с научно-производственной фирмой «Галатея», которая является лидером в производстве механических протезов в России; участники проекта занимаются внедрением своей системы управления в существующие механические протезы. Идет общение с зарубежными коллегами, хотя пока конкретных договоренностей нет.

«В конечном счете мы планируем разработать собственный бионический протез, подстраивающийся под конкретного человека»,  говорит Бергалиев.

Однако он и его товарищи не намерены ограничивать себя только протезами. По их мнению, на основе их прототипов можно создавать системы управления экзоскелетами, робототехническими системами, для военной робототехники. Оператор сможет управлять манипулятором так, как будто это его собственная рука  это сократит время обучения и повысит скорость реакции.

«Параллельно мы развиваем проект носимой электроники для спорта и фитнеса: методы электромиографии позволяют работать с мышцами, анализировать и планировать тренировочные нагрузки»,  рассказывает Бергалиев.

По его словам, на сегодняшний день нет объективного способа измерения состояния мышц в процессе тренировок. Если профессиональные спортсмены постоянно находятся под контролем опытных тренеров, то у любителей нет такой возможности, и все делается «на глаз», что нередко приводит к травмам: «Наше устройство позволит отслеживать уровень нагрузки и предупредит спортсмена, если она близка к предельной».