Изот Литинецкий - Беседы о бионике

Возникающие в мышцах биопотенциалы нетрудно снять простыми электродами и усилить. Это и сделал автор модели железной дороги, старший инженер Центрального научно-исследовательского института протезирования и протезостроения Е. Полян. Для управления локомотивчиком он создал устройство, в котором использовались два сигнала: один, снимаемый с мышц, сгибающих кисть, другой — с мышц, которые ее разгибают. Почему два? Один из них преобразуется в команду "передний ход", другой — в команду "задний ход". Вот, пожалуй, и весь "секрет" описанного эксперимента, если не касаться трудностей защиты слабенького начального импульса от шумовых помех и других "подводных камней", которые пришлось обходить энтузиасту биоточного управления.

Мозг, командуя движениями руки, продолжает посылать к мышцам биотоки — слабые электрические сигналы — и тогда, когда часть руки ампутирована. Но в этом случае импульсы, поступая в нервные окончания культи и возбуждая усеченные мышцы, дают лишь ощущение тех или иных движений. Реализовать их мышцы не могут: исполнительный . механизм — часть руки с кистью — отсутствует. При этом, чем отчетливее и острее эти ощущения, тем больше сосредоточивается на них внимание инвалида. Утрата руки трагична. Пропадает непревзойденный, виртуознейший инструмент природы, способный создавать бессмертные полотна, ваять и строить, извлекать из неодушевленного рояля чарующую музыку Чайковского, умеющий водить трактор, управлять любым станком и космическим кораблем. И дело не только в том, что человек уже не может стать ни художником, ни скульптором, ни музыкантом, ни каменщиком, ни космонавтом. Теряется нечто большее: созидательные отделы мозга заходят в тупик. Как бы ни пылало и ни буйствовало воображение, как бы ни велика была сила воли и мощь таланта, ничто уже не может вызвать к жизни картины Рембрандта или Репина, скульптурные творения Родена или Коненкова, музыку Паганини или Глинки. Именно поэтому, начиная с античных времен и до наших дней, человеческая изобретательская мысль с неотступной страстностью и упорством ищет способы вернуть руку тем, кто ее лишился.

История протезирования знает немало попыток непревзойденных мастеров точной механики воссоздать подвижную руку, активный протез. В кожаных перчатках, начиненных множеством шестеренок и рычажков, воплощалась логика французских геометров и волшебство швейцарских умельцев-часовщиков. Но конструкции оставались сложными узлами мертвого металла: слабые остатки мышц неспособны были вдохнуть жизнь в стальное подобие кисти...

И вот поздним осенним вечером в октябре 1956 г. в лабораторию к известному советскому ученому, специалисту по теории машин и автоматов А. Кобринскому пришел специалист по технике протезирования Я. Якобсон. Гость рассказал о механических протезах предплечья, объяснил принцип их действия, сетовал, что механические протезы с большим трудом воспроизводят даже простейшие движения. Под конец беседы у ученых возникла идея использовать для управления протезом руки... биотоки.

Как известно, путь от идеи до ее реализации нелегок. Нужно было всесторонне исследовать проблему биоэлектрического протезирования, провести огромную теоретическую и экспериментальную работу. Все исследования были поставлены широко. Помимо А. Кобринского и Я. Якобсона за разработку принципиально нового типа протеза взялись многие сотрудники Центрального научно-исследовательского института протезирования и протезостроения во главе с его директором профессором Б. Ильиным-Поповым.

Первая модель искусственной руки, управляемой биопотенциалами, была изготовлена в 1957 г. Она имела электромагнитный привод и довольно громоздкую систему усиления и преобразования электрических сигналов, снимаемых с какой-либо мышцы. Человеку, использующему такую руку, пришлось бы все время держаться близ штепсельных розеток и носить на себе большой ламповый усилитель. Кроме того, искусственная рука воспринимала только общие сигналы типа "сжать пальцы", "разжать пальцы", а не сигналы о том с какой силой это делать. Попытка поздороваться с человеком, обладающим такой "железной рукой", неизбежно привела бы к травме. Однако при всех своих недостатках первая модель биоманипулятора позволила решить сложнейшую инженерную проблему, о которой не решались писать даже самые отчаянные фантасты: необычная система включалась и выключалась только волей, только невысказанным желанием человека. Конструкторы нашли верный путь обработки и посылки биопотенциалов к исполнительному органу — искусственной руке.

Постепенно модель биоманипулятора совершенствовалась. И вот летом 1960 г. участники I Международного конгресса Федерации по автоматическому управлению, происходившего в Москве, стали очевидцами такой совершенно необычной картины. Пятнадцатилетний мальчик, не имеющий кисти руки, взял искусственной рукой кусок мела и написал на доске ясно и четко: "Привет участникам конгресса!" Кисть протеза оказалась живой. Она сжималась и разжималась. Ее движениями управляли мышечные биотоки. Так впервые была реализована родившаяся на стыке физиологии и автоматики идея управления техническим устройством с помощью биоэлектрических сигналов, которые вырабатываются в живом организме.

Любопытно, что некоторые зарубежные ученые, не принимавшие участия в работе этого конгресса, прочитав сообщение о демонстрации созданной советскими специалистами биоруки, отнеслись к нему с недоверием. В частности, один из американских ученых в 1961 г. писал: "Русские заявляют, что они располагают устройством, позволяющим управлять действиями искусственной руки с помощью мыслей. Это фантастическая система..." Но если вы заглянете и книгу Норберта Винера "Бог и Голем", увидевшую свет уже после его смерти, то в ней вы прочитаете следующее:

Рис 1. Блок-схема биоэлектрического протеза предплечья (по А. Бутко)

"Представим себе, — пишет ученый, — что человек лишился кисти руки. Он лишился некоторых мышц, которые позволяли ему сжимать и разжимать пальцы, однако большая часть мышц, обычно двигающих рукой, сохранилась в культе локтевой части руки... Эти мышцы, хотя они и не могут привести в движение кисть и пальцы, которых нет, вызывают некоторые электрические эффекты, называемые потенциалами действия. Эти потенциалы могут восприниматься соответствующими электродами, а затем усиливаться и преобразовываться транзисторными схемами. Такие потенциалы можно использовать для управления движениями искусственной руки при помощи миниатюрных электродвигателей, которые питаются от батарей или аккумуляторов... Источником управляющих сигналов служит обычно центральная часть нервной системы... Подобные искусственные руки уже были изготовлены в России, и они даже позволяли некоторым инвалидам вернуться к производительному труду" (рис. 1).