Вокруг Света - Вокруг Света 2006 №05

Вообще основным камнем преткновения в таких разработках остаются как раз «мышцы» и питание. Нынешние приводы громоздки, медленны и потребляют слишком много энергии. Поэтому отдельное перспективное направление, которое быстро сольется с биомехатроникой, — разработка искусственных мышц. Хорошие искусственные мышцы могли бы заменить половину существующих на планете электромоторов (а их сейчас — уже многие миллиарды). Инженеры уже разрабатывают устройства, работающие от искусственных мышц, в том числе наколенники, предотвращающие ушибы, небольшие насосы для дозировки лекарств, а также роботов, которые извиваются, как змеи, летают, как птицы, или прыгают, как кузнечики. Но ряд исследователей возлагают на этот материал и другие надежды: заменить ими… натуральные человеческие мышцы. В середине прошлого года на ежегодной научной конференции в Сан-Диего три университетские команды выставили на соревнования по армрестлингу между роботом и человеком недурные образцы искусственных мышц. Однако роботы все равно проиграли вчистую — к сожалению, даже лучшее из того, что пока может предложить инженерная мысль, не может сравниться с человеческой мышцей, которой любой биоинженер даст высочайшую оценку и перечислит длинный список достоинств. Первое и главное — это сила. «Средняя» мышца бедра может произвести усилие (3 кг силы на см2 своего сечения), достаточное, чтобы сломать сосновую парту. За силой следует мощность — отношение работы к промежутку времени, в течение которого она совершена. Как в автомобилях, высокая мощность приводит к большим скоростям, а у стандартной скелетной мышцы КПД куда выше, чем у стандартного автомобильного двигателя. Мышцы также действуют как тормоза, пружины и амортизаторы. Вот почему мы, в отличие от обычного робота, можем бегать, прыгать и мягко приземляться. Пока искусственным мышцам далеко до естественных, но они уже существуют. В конце концов, первый космический полет тоже длился совсем недолго. Но мышцы — это еще далеко не все.

Биомехатроника стремительно прогрессирует по всем направлениям. Например, существующее на данный момент титановое сердце Abiocor, к сожалению, может быть имплантировано только примерно 50% мужчин и работает всего два года. Следующая модель, которая планируется к 2008 году, окажется втрое компактнее, подойдет большинству мужчин и половине женщин и будет работать пять лет. Корпорация Advanced Bionics разрабатывает кохлеарные имплантаты Bionic Ear, которые будут возвращать к жизни поврежденные органы внутреннего уха: крохотная помпа будет подавать к нервным окончаниям стимулирующие препараты, а электроды — возбуждать нервные клетки.

Разработчики из Университета Питтсбурга работают над первым в истории имплантируемым легким из газопроницаемого микроволнистого материала (небольшой насос забирает углекислоту и поставляет кислород, насыщающий ткани «легкого» и переносимый оттуда в кровь).

Таким образом, сегодня мы далеко ушли от первых деревянных пальцев-протезов времен первых фараонов. (Но, к сожалению, современные модели «интеллектуальных» протезов доступны пока далеко не всем.) Впереди — не менее длинный путь к умению продублировать и заменить практически любой орган человеческого тела.

Другой путь

В работах, из которых «вырастут» протезы будущего, есть и другие направления, отличные от биомехатроники. В науке, как и в высоких технологиях, не всегда просто провести границу между областями исследования. Однако в отношении «протезирования» их можно достаточно условно разделить на биопротезы и исследования регенерации тканей. Первое изучает возможность «выращивания» протезов из естественных тканей или клонированных человеческих, или же других высших млекопитающих. Здесь до реальных успехов пока далеко: скажем, знаменитые кемеровские биопротезы сосудов и сердечных клапанов, заслуженно получающие высокие оценки профессионалов, изготавливаются только из сердечных клапанов свежезабитой свиньи. Вряд ли это можно считать перспективным подходом. Что касается регенерации тканей, то тут вообще пока можно говорить о теоретических результатах, ученые лишь подступили к пониманию того, как происходит регенерация на клеточном, тканевом и молекулярном уровнях у низших позвоночных. Так что в ближайшее время можно точно не рассчитывать на то, что ампутированную руку удастся отрастить снова.

Егор Быковский

Музыка, которую мы слушаем дома, в метро, машине или на лекциях, записана на разнообразные носители и проигрывается, соответственно, с самым разным качеством. Между тем человеческое ухо способно чрезвычайно тонко различать малейшие нюансы качества записи. Так что звук, который нас сопровождает теперь повсюду, иногда в буквальном смысле слова отравляет нам жизнь.

До 1982 года, когда на заводе в Лангенхагене, под Ганновером, началось массовое производство компакт-дисков (CD), мир потреблял «музыкальные консервы» только с аналоговых носителей: виниловых грампластинок и магнитных лент. Хорошие виниловые пластинки, проигрываемые на хорошей аппаратуре, давали превосходное качество звука, однако, увы, с каждым прослушиванием немного портились как от механического износа при движении иглы по звуковой бороздке, так и от всепроникающей пыли. То есть «винил», как бы это странно ни звучало, был… одноразовым. Конечно, производители аппаратуры пытались бороться с такими недостатками: создавали бесконтактные считыватели информации с бороздок, помещали пластинки в жидкую среду и так далее, но все эти агрегаты являлись очень дорогостоящими и редкими. Приемлемого решения для массовых изделий так и не нашли. Что касается магнитофонов, то им для безупречного воспроизведения требовались прецизионные считывающие головки и относительно большая скорость протяжки ленты. Кроме того, со временем лента размагничивалась, магнитный слой осыпался. Но главный недостаток магнитной записи, как, впрочем, и любого аналогового тиражирования, — неизбежные потери качества при копировании.

В 1979 году, за три года до начала массового производства компакт-дисков, компании Sony и Philips предложили стандарт Red Book («Красная Книга») на цифровую запись звука. Аналоговый звук по новому стандарту оцифровывается и записывается в виде спиральной дорожки из чередующихся нулей и единиц (микронных лунок-питов и гладкой поверхности) на 12-сантиметровый, чуть толще миллиметра, диск из поликарбоната, покрытый поначалу тончайшим слоем золота, позже — алюминия. Лазер проигрывающего устройства освещает такой диск и детектирует двоичные «нули» и «единички», которые после соответствующей обработки превращаются обратно в звук. Понятно, что если в случае аналоговой записи и воспроизведения ошибиться на малую долю вольта довольно просто, то в случае цифровой — перепутать нуль с единицей, при должном отношении сигнал—шум, практически невозможно. Более того, возможные проблемы, связанные с ошибками при считывании и царапинами на поверхности диска, в большинстве случаев компенсировались специально разработанным цифровым методом коррекции ошибок. В результате уменьшились не только физические размеры диска-носителя по сравнению с виниловой пластинкой, но и заметно увеличилась музыкальная емкость: до 74 (позже — 80) минут. Интересно, что цифра 74 возникла из-за музыкальных предпочтений тогдашнего владельца фирмы Sony: он пожелал, чтобы на один диск уместилась целиком его любимая Девятая симфония Бетховена.