Протезы вверх! Пермский студент разрабатывает уникальную искусственную руку
Ежегодно в России около 40 тыс. человек (по некоторым оценкам) нуждаются в протезировании рук. Средняя стоимость искусственных манипуляторов варьируется в районе 150-600 тыс. руб. Цены на западные устройства могут достигать и двух миллионов.
При этом большинство активных (а не косметических) протезов выпускаются за рубежом, что создаёт дополнительные сложности в их приобретении и обслуживании. Тем важнее и нужнее проект, которым сейчас занимается студент пермского госуниверситета Илья Коваленко. Он разрабатывает уникальный протез, который будет заметно дешевле, удобнее и надёжнее аналогов.
Композитные мышцы
«Мы хотим сделать протез из доступных материалов с довольно простым внутренним устройством. Это поможет снизить итоговую стоимость изделия при сохранении всех функциональных способностей механизма. В движение наш протез будут приводить металлополимерные мышцы. В качестве материала для мышц будем использовать нити термопластичного полимера. Изначально рассматривали только нейлон. Но, возможно, будем применять и другие доступные полимеры – капролон, полипропилен и так далее. Также в протезе будет нагревательный элемент, состоящий из проволоки малого сечения с высоким сопротивлением», – рассказывает студент пятого курса химфака ПГНИУ (специальность «фармация») Илья Коваленко.
Полимерные нити скручиваются с проволокой и при её нагревании сжимаются, подобно нашим мышцам. Как и другие кибернетические протезы, устройство будет оснащаться электромиографическим датчиком (ЭМГ-датчик). Он способен считывать импульс, проводимый к мышцам. За счёт считывания импульса на плату подаётся сигнал о сжатии или разжатии руки. После чего выполняется движение. Сегодня на рынке такие комплектующие – ЭМГ-датчики – представлены достаточно широко.
«Наше ноу-хау – использование в протезах металлополимерных мышц. До нас такие материалы не применяли. Ещё одно новшество – пассивный возвратный механизм, который будет создан на основе магнитов. Наши же потенциальные конкуренты (как в России, так и в мире) используют в своих протезах сервоприводы», – объясняет молодой учёный.
Предполагается, что крупные детали и внешнюю часть протеза (например, культеприёмную гильзу и сам корпус) можно будет печатать на 3D-принтерах. А внутреннюю часть, состоящую из термостойкого пластика, планируется изготовлять на токарном и фрезерном станках.
Грант от «УМНИКа»
В прошлом году Илья Коваленко со своим проектом «Разработка активного протеза верхних конечностей на основе композитных мышц «SynthArm» стал победителем конкурса «УМНИК». На создание искусственной руки он получил от Фонда содействия инновациям грант в полмиллиона рублей. В разработке протеза молодому учёному помогают старший преподаватель кафедры фармакологии и фармации ПГНИУ Александр Андреев и научный сотрудник классического университета Данила Апушкин. Они выступают в качестве научных консультантов.
По словам Ильи Коваленко, уже готовы 3D-чертежи мышц, их соединений с суставами и фалангами. Также благодаря гранту закупили полимерные материалы, проволоку разных диаметров и сплавов. Сейчас предстоит выполнить сравнительный анализ материалов, определить три оптимальные структурные формы «мышцы».
«К концу ноября планируем представить сборный макет протеза, напечатанный на 3D-принтере. Пока макет будет без электронных компонентов. Это уже задача следующего года», – говорит Илья Коваленко.
По условиям гранта, действующую модель протеза нужно будет подготовить к декабрю 2022 г. В планах у молодого учёного – запатентовать технологию.
«В перспективе мы хотим создать протез, который поможет пользователям выполнять повседневные действия: от простых манипуляций с предметами (чистить зубы, держать столовые приборы) до управления сложными механизмами. Например, мы планируем, что наш протез позволит его носителям водить автомобиль», – поясняет Илья Коваленко.
Дешевле и надёжнее
Пермский студент рассчитывает, что его устройство будет заметно дешевле российских и зарубежных аналогов (в расчётах на конец 2020 г. возможная цена не превышала 200 тыс. руб. – Авт.). При этом – удобнее и надёжнее. Так, в отличие от тяговых протезов манипулятор, разрабатываемый Ильёй Коваленко, не требует физических усилий от его носителя. Сегодня все производимые кибернетические протезы используют сервоприводы. Они достаточно чувствительны к механическим воздействиям – ударам, тряске. У протеза от молодого учёного из ПГНИУ этой проблемы не будет: полимерным мышцам не страшны такие воздействия.
По словам Ильи Коваленко, разработка протеза верхних конечностей – это только первый шаг. В планах у него и коллег заняться созданием протезов нижних конечностей (по некоторым оценкам, в год в России в них нуждается уже около 80 тыс. жителей. – Авт.) и экзоскелетов. Ещё одно перспективное направление – разработка нейроимплантов, которые позволят управлять протезами без участия мышц носителя и использования ЭМГ-датчиков.
«Мы понимаем, что выходить на рынок только с моделью протеза руки весьма поспешно. Очень сложно конкурировать с одним продуктом. Поэтому хотим расширить линейку продуктов, которые можно выпускать на основе нашей технологии. Если наши протезы и экзоскелеты хорошо зарекомендуют себя, будем налаживать их серийное производство и экспорт. Также большие перспективы мы видим и в разработке нейроимплантов для управления протезами», – поясняет Илья Коваленко.
Кстати
Сервопривод (от лат. servus – слуга, помощник, раб), или следящий привод – это механический привод с автоматической коррекцией состояния через внутреннюю отрицательную обратную связь в соответствии с параметрами, заданными извне.