Бионическое протезирование позволяет почти полностью восстановить функциональность человека после потери конечности. Благодаря максимальному подстраиванию устройства под пользователя, оно дает возможность полноценно реабилитироваться и справляться с задачами, которые были бы недоступны при ношении обычных протезов. Но из-за дороговизны их серийного производства бионическими протезами обеспечено очень малое количество инвалидов. Студент Пермского Политеха разрабатывает бионический протез руки человека с помощью технологии 3D-печати. Уже готов прототип изделия, способный выполнять сжимающие движения и имитировать тактильные ощущения.
В ПНИПУ разработали прототип бионической руки человека / © rawpixel.com, Freepik
Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Люди, потерявшие конечность, могут заменить ее или косметическим протезом, который лишь имитирует внешнюю оболочку, или механическим, который имеет минимальный функционал и контролируется усилиями самого человека.
В отличие от них, бионические протезы управляются электроникой и биотоками человека. С помощью сигнала, который возникает от сокращения мышц, информация передается на микропроцессор, в результате чего протез выполняет определенный жест или хват. Их разработкой в мире занимается лишь несколько зарубежных и российских компаний. Активное внедрение таких устройств в широкие массы ограниченно из-за высокой трудоемкости и стоимости материалов и производства.
Благодаря аддитивным технологиям возможно воссоздать изделие любой сложности за короткое время и за значительно меньшую стоимость. 3D-печать заключается в послойном наплавлении металла или полимера друг на друга по разработанной заранее модели. Сейчас такая технология широко распространена в машиностроении и других отраслях промышленности, однако в сфере протезирования она показала себя сравнительно недавно.
Студент Пермского Политеха занимается разработкой бионического протеза руки с использованием программно-аппаратной платформы и 3D-принтера. Готовый прототип напечатан из пластика и содержит светоприводы, которые приводят пальцы руки в движение, кнопки и браслет с вибромотором для имитации тактильных ощущений, а еще датчики электромиографии, определяющие электрические импульсы от сокращения мышц.
Платформа Arduino позволяет создавать различные электронные устройства в сфере робототехники и автоматизации. В ее основе лежит микроконтроллер — миниатюрный компьютер с собственным процессором, памятью и периферией, который управляет всеми действиями устройства, получая данные от датчиков. По словам разработчика, такая платформа выбрана из-за ее распространенности, доступности комплектующих, а также разнообразия программного обеспечения.
«С датчиков электромиограммы, находящихся в отдельном кейсе, тянутся провода с электродами, которые закрепляются на руку человека. После обработки полученных импульсов микроконтроллер запускает сервоприводы, которые приводят в движение пальцы протеза. А установленные в них кнопки при нажатии запускают вибрацию в браслете, тем самым сигнализируя о прикосновении к предмету. Также в кейсе установлена кнопка для переключения режима работы протеза: первый приводит в движение всю кисть, второй запускает только указательный и большой пальцы», — объясняет Андрей Сырвачев, студент кафедры «Информационные технологии и автоматизированные системы» ПНИПУ.
«Разработанный прототип соответствует поставленным задачам: частично восполняет функции кисти человека и имитирует тактильные ощущения. Дальнейшая доработка протеза и его реализация в качестве готового продукта представляет несомненный интерес не только в плане создания и внедрения бионических технологий, но и развития возможностей 3D-печати», — поделилась Елена Кротова, доцент кафедры «Высшая математика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
«В дальнейшем хотелось бы усовершенствовать корпус протеза, сделать его конструкцию более эргономичной. Также заменить датчики электромиографии на нейроинтерфейс, чтобы принимать более точные сигналы с напрямую с мозга. Финальную версию протеза я вижу как полностью готовый к применению после производства, легкий и автономный продукт, который улучшит жизнь многих людей», — рассказывает Андрей Сырвачев.
Работа студента Пермского Политеха показывает большой потенциал для роста отечественного протезирования. Простая и доступная технология создания функциональных протезов позволит людям с ограниченными возможностями вернуться к полноценной жизни, в том числе на рабочие места.
