Социальный проект "До чего дошёл прогресс..."

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №126 имени Героя России

Д.Г. Новосёлова»

Социальный проект

«До чего дошёл прогресс…»

Автор проекта:

Шишкина Анастасия

7Б класс

Наставник проекта:

Падерина Светлана Викторовна,

учитель информатики

Снежинск

2022

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………..………………….…….....3

1. Теоретическая часть

1.1. Бионика. Что такое бионический протез …………………………….....…4

1.2. История, эволюция бионических протезов…………………..……...5

1.3. Бионическое протезирование сегодня.……………………….……...7

1.3.1. Бионические протезы рук и ног………………………………….…....9

1.3.2. Бионические протезы глаз………………………………………….…11

1.3.3. Экзоскелеты…………………………………………………………….12

Введение

Человеческий организм несовершенен, потеря конечности и органа, к сожалению, не является редкостью и составляет огромную социальную проблему. Печальная статистика демонстрирует, что около 15% населения Земли имеют те или иные функциональные нарушения, мешающие нормальной жизнедеятельности, примерно 50 миллионов человек ежегодно становятся инвалидами. Вызванные этим финансовые потери составляют свыше 4 триллионов долларов – это огромная нагрузка на мировую экономику.

Цель: привлечение внимания общественности к проблемам людей с ограниченными возможностями.

Задачи:

1. Изучить материал по теме «Биопротезирование».

2. Познакомиться с историей и эволюцией биопротезов.

3. Узнать о биопротезировании сегодня.

4. Выяснить, какого будущее бионического протезирования.

5. Создать презентацию по теме «Бионические протезы».

1.1. Бионика. Что такое бионический протез

Бионические протезы сегодня являются авангардом медицинской инженерии. Поэтому создание протезов, хотя бы частично возвращающих человеку утраченную функцию, является Святым Граалем современной медицины.

Чтобы понять, как работают бионические протезы и проследить их эволюцию, необходимо определиться со значением этого термина. Бионика (или биомиметика) – прикладная дисциплина, изучающая возможности применения принципов организации и функционирования живой материи при создании технических систем и устройств. Говоря проще, это создание искусственных аналогов решений, «изобретенных» природой.

Итак, бионический протез (биопротез) – это искусственный аналог, структурно и функционально имитирующий работу утраченного органа. Основная особенность биопротезов – способность условно полноценно выполнять функции утраченных конечностей.

Важно: к бионическим не относят косметические протезы, которые просто создают видимость руки или ноги. Например, рука, которая не двигается, а просто висит — это косметический протез. А если она может сгибаться и двигать пальцами — бионический.

Самые простые бионические протезы — механические: они сгибаются и разгибаются за счет оставшихся мышц. В более сложных используют датчики, которые реагируют на нервные импульсы и воспроизводят более сложные движения — даже мелкую моторику. Наконец, сейчас появились протезы, которые соединены с мозгом, и отвечают на его сигналы напрямую, минуя мышцы.

1.2. История, эволюция бионических протезов

Хотя подобные устройства широко стали разрабатываться только сейчас, история их развития насчитывает уже несколько столетий.

Первые протезы появились более 3 тысяч лет назад, в Древнем Египте. Это были деревянные пальцы, которые защищали от мозолей при ходьбе в сандалиях.

Одним из ранних примеров является «железная рука» немецкого рыцаря Готфрида Берлихенгена (XVI век), имевшая подвижные пальцы, сгибание которых осуществлялось нажатием кнопки на тыльной стороне ладони. Протез позволял осуществлять захват крупных предметов (например, рукояти оружия) и, по некоторым сведениям, даже держать перо.

В XVIII—XIX веках в Викторианской Англии носили механические устройства, которые приводились в движение с помощью рычагов и гибких тросов. Однако степеней свободы у них становится больше за счет увеличения количества суставов. В ладонях некоторых моделей того времени имеется отверстие, в которое вставляются различные функциональные насадки, например небольшой крюк для ношения сумок. Протезы становились более функциональными — у них больше подвижных суставов — и эстетичными: их форма все больше похожа на настоящие конечности. Некоторые даже украшали чеканкой или гравировкой.

Особых успехов в XIX веке достиг Джеймс Джиллингем, изготавливавший искусственные аналоги ног и рук не только для взрослых, но и для детей с врожденными или приобретенными дисфункциями.

Протезы XX века также представляют собой тяговые устройства: чтобы согнуть или разогнуть конечность, нужно потянуть за рычаг. Отличием стало использование современных материалов – прежде всего пластика и облегченных сплавов, которые пришли на смену более тяжелым и труднообрабатываемым стали и древесине. Благодаря уменьшению массы был устранен один из главных недостатков протезов прошлого – повышенная нагрузка на одну из сторон тела и, как следствие, дисбаланс опорно-двигательного аппарата. Пластиковые модели позволяли также более реалистично имитировать облик здоровой человеческой руки или ноги, что положительно сказывалось на социализации их владельцев.

Наконец, в 1958 году впервые прозвучал термин «бионический»: его придумал военный врач Джек Стил, занимавшийся медицинскими и аэрокосмическими исследованиями. Он исследовал природные процессы и структуры, а затем использовал их для военных разработок. В том же году в СССР разработали первую микроэлектрическую руку.

Вдохновленный исследованиями Стила, американский писатель-фантаст и авиационный эксперт Мартин Кейдин выпустил в 1972 году книгу «Киборг», где впервые описал «бионических людей».

1.3. Бионическое протезирование сегодня

Устройство бионических протезов. Разновидности

Несмотря на очевидный прогресс в протезировании, который человечество совершило за несколько веков, долгое время протезы представляли собой неудобные, малофункциональные аналоги утраченных конечностей. Их движения были очень ограниченными и неточными, что существенно снижало возможности использования таких устройств в бытовой жизни.

Лишь в конце XX и начале XXI веков развитие микроэлектроники, материаловедения, медицины, нейрофизиологии создало условия для появления устройств, максимально приближенных по своим функциям к человеческим конечностям. Более того, нынешние технологии позволяют разрабатывать аналоги таких сложных органов, как ухо и глаз, что было недостижимо в предыдущие эпохи. Современный бионический протез конечностей представляет собой электронно-механическое устройство, приводимое в движение нервными импульсами. Его конструкция состоит из следующих компонентов:

Каркас. Изготавливается из пластика и легких металлических сплавов, обеспечивает жесткость протезу и защищает электронную начинку от повреждения. Каркас имеет гильзу, с помощью которой устройство надевается на остаток конечности. Для повышения эстетических качеств протезов они покрываются силиконовой или резиновой оболочкой, имитирующей кожу.

Механика. Бионический протез имеет встроенные сервоприводы, шарниры и тяги, которые обеспечивают устройству подвижность. В искусственных ногах также применяются гидравлические, пружинные или пневматические амортизаторы, смягчающие и распределяющие ударную нагрузку при передвижении.

Система управления. Для контроля над протезом в нем предусмотрены датчики нервных сигналов и обрабатывающий процессор, управляющий приводами. В серийных миоэлектрических моделях датчики подсоединяются к остаткам мышц культи и фиксируют изменения их биопотенциала при сокращениях. В опытных энцефалографических устройствах сенсоры закрепляются на коже головы или вживляются под нее, снимая электрические потенциалы мозга. В некоторых моделях также предусмотрены датчики обратной связи, обеспечивающие пациентам возможность испытывать проприоцептарные и тактильные ощущения.

Нейрофизиологический принцип работы бионического протеза позволяет существенно упростить управление им, а также хотя бы частично вернуть пациенту ощущение обладания полноценной конечностью. Большинство имеющихся на рынке моделей обеспечивают выполнение достаточно широкого набора действий – держать посуду и столовые приборы, писать, печатать на клавиатуре, завязывать шнурки, подниматься по лестнице и даже заниматься спортом (бегом, ездой на лыжах).

Сегодня для многих биопротез становится предметом гордости и самовыражения. Уже прошли те времена, когда люди стремились имитировать естественность и ничем не выделяться из толпы.

1.3.1. Бионические протезы рук и ног

Основная особенность биопротезов – способность условно полноценно выполнять функции утраченных конечностей.

Первую бионическую руку в современном понимании этого слова сделали в 1993 году для Джона Кэмпбелла. Она приводилась в движение за счет датчиков, подсоединенных к мозгу и спрятанных под кепкой.

В 2007-м канадская Touch Bionics представила i-limb — первый широко доступный бионический протез. Эта рука весила всего 25 кг, обладала тонкими пальцами и открывала больше возможностей для мелкой моторики: от работы с мышкой до завязывания шнурков. Протез крепится на гильзе, легко закручивается и откручивается.

Современные бионические протезы рук позволяют делать от 14 разных хватов с возможностью ощущения силы хвата. Функционал таких протезов постоянно улучшается.

Под бионическими протезами ног подразумеваются протезы бедра, оснащенные современными электронными коленными модулями. В данном случае сигналы с мышц не считываются, но такие протезы тоже называют бионическими, так как с помощью «умных и самообучающихся» коленных модулей становится возможным практически полное воспроизведение естественной человеческой ходьбы.

Бионические протезы ног автоматически подстраиваются под скорость ходьбы, изменения нагрузки и реагируют на изменения рельефа местности.

Биопротезы дают возможность свободно и непринужденно совершать самые разные повседневные действия, которые невозможны или значительно затруднены при ношении любых других протезов.

Бионические протезы бедра при односторонней ампутации значительно разгружают здоровую ногу, а при двухсторонней – дарят человеку уверенность в передвижении, по сравнению с обычными протезами. Человек быстро восстанавливает возможность ходить с разной скоростью и там, где хочется. А главное – снова обретает веру в себя и свои силы.

1.3.2. Бионические протезы глаз

Отдельно стоит рассказать о бионических протезах глаз, первые модели которых появляются уже сегодня и используются для помощи людям с дистрофией сетчатки. Имеющиеся на данный момент устройства (например, Argus II от компании Second Sight) представляют собой массив электродов, вживляемый в сетчатку и подключаемый к внешней камере, установленной на очках. Изображение с нее поступает на встроенный видеопроцессор, который обрабатывает сигнал и подает его на имплантат, стимулирующий оставшиеся здоровые клетки сетчатки. Этот протез позволяет частично вернуть зрение, обеспечивая восприятие очертаний крупных предметов и даже большого шрифта. Хотя использование внешней камеры и недостаточная четкость изображения существенно ограничивают возможности и удобство Argus II, он уже используется в медицинской практике, в том числе в России.

1.3.3. Экзоскелеты

Современные протезы используют разработки робототехники, умеют имитировать индивидуальные жесты, передавать тактильные ощущения. Наконец, экзоскелеты — это переходный этап: они не заменяют утраченные органы, а дополняют, расширяя возможности человека. С их помощью люди без физподготовки могут поднимать тяжести, а парализованные — двигаться.

Пока протезы так и не стали массовыми, а их разработки обходятся достаточно дорого, объединяя инженеров, биологов, медиков. При этом создаются протезы каждый раз индивидуально: гильза, к которой крепится бионическая рука или нога должна идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого приходится делать несколько моделей, а на тренировки и реабилитацию уходят недели.

При очевидном прогрессе в бионическом протезировании, наблюдаемом в последние 20 лет, создание искусственных органов и конечностей сталкивается с рядом проблем:

Несовершенство конструкции. Имеющиеся серийные и опытные модели рук и ног работают все еще недостаточно свободно и точно из-за ограниченных возможностей сервоприводов. Решить эту проблему разработчики стремятся за счет технологии искусственных мышц – синтетических волокон, сокращаемых при подаче сигнала. Например, исследователи Массачусетского технологического института используют в качестве материала дешевый и доступный нейлон. По результатам исследований 2016 года, его волокна сопоставимы по прочности и эластичности биологическим мышцам, а по силе сокращений даже превосходят их.

Ограничения в передаче сигнала. В существующих миоэлектрических и энцефалографических протезах из-за опосредованности и «зашумленности» передаваемого сигнала наблюдается небольшая, но ощутимая задержка в их работе. Это ограничивает использование протезов в тех случаях, когда важна скорость реакции – например, при управлении транспортом. Для решения проблемы предлагается имплантировать датчики непосредственно в двигательные центры коры головного мозга.

Высокая цена. Большинство серийно выпускаемых моделей из-за сложности конструкции и производства стоят очень дорого, что ограничивает их массовое внедрение. В качестве дешевой альтернативы британский робототехник Джоэл Гибберт разработал бионическую руку, детали которой напечатаны на 3D-принтере, а в качестве контроллера использует открытую электронную платформу Arduino. Это позволило сократить стоимость устройства до 1000 долларов (при средней рыночной цене в 50-60 тысяч).

Несмотря на эти проблемы, тенденции в современном протезировании позволяют многим исследователям и футурологам прогнозировать широкое внедрение искусственных органов, конечностей и даже тел уже в ближайшие десятилетия. В частности, получившая сегодня распространение философия трансгуманизма (ярким последователем которой является знаменитый Рэй Курцвейл) декларирует появление к 50-60-м годам этого столетия протезов, по своим возможностям намного превосходящих биологические аналоги. Согласно этому течению, использование таких устройств – благо, позволяющее вывести человека на следующую ступень эволюции (постчеловечество) и преодолеть естественные ограничения природного тела.

Однако здесь возникают новые вопросы не только технического, но и философского характера:

• Как общество будет реагировать на технологию аугментации? Будут ли люди с бионическими протезами восприниматься остальными как инвалиды, полноценные члены социума или социальная угроза?

• Кем будет ощущать себя сам аугментированный человек? Примет ли он свои искусственные, но более совершенные органы и конечности как благо или в нем разовьется комплекс неполноценности, отношение к себе как к суррогату человека, бездушной машине?

• Как отразится использование более совершенных и многофункциональных протезов на нашем сознании? Оно миллионы лет эволюционировало с ощущением целостности и неделимости своей телесной оболочки. Как изменятся границы личности в условиях, когда любую конечность и даже все тело можно легко заменить?

Эти и другие вопросы уже сейчас активно задаются не только в философских или научных трудах, но и массовой культуре. Тема биопротезирования и связанных с ним социальных проблем ярко выражены в серии игр Deus Ex, комиксе Transmetropolitan, романах Брюса Стерлинга, Питера Уоттса и других представителей литературы жанра «киберпанк». Такой интерес демонстрирует, что общество активно готовится к внедрению искусственных органов и тел. И вопрос состоит уже не в том, произойдет ли это, а в том, готовы ли мы принять данную технологию и использовать ее для своей пользы.

Протезы-гаджеты — наше будущее в стиле киберпанк?

Сейчас производители бионических протезов стремятся всячески расширить их возможности за счет новейших технологий. Уже существуют протезы со встроенным пей-пасс модулем, выключателем для умных устройств, wi-fi-модулем. Совсем скоро протезы смогут заменять смартфоны, фитнес-трекеры, умные колонки и часы.

Что будет дальше — предсказать сложно. Хотя Илон Маск с его мозговым чипом как бы намекает: киберэпоха совсем не за горами.

7. Заключение

На данный момент времени научно технический прогресс уже позволяет некоторым людям с ограниченными способностями чувствовать себя полноценными членами общества. При наличии желания и финансовых возможностей, человек может подобрать себе протез, не только заменяющий утраченную конечность или орган, но и предоставляющий ему преимущества перед обычными людьми. Здоровье человека очень ценно, и ограниченными бывают не возможности человека, а возможности технологий. А в ближайшем будущем технологии станут еще более совершенными и более доступными.

8. Список использованной литературы

orto-kosmos.ru

https://motorica.org/prosthetics/upper-limb/bionic

https://trends.rbc.ru/trends/industry/5e91e02b9a79474e8cb6d892

http://robo-sapiens.ru/stati/bionicheskie-protezyi/