Как сделать киборга

Обновлено: 08.07.2024

Мечта о создании киборга с полностью искусственным телом, похоже, скоро станет реальностью. С прогрессом в электронике, нанотехнологиях и точной механике мы сможем всё больше и больше интегрировать машины в собственное тело, чтобы повысить свои возможности.

В некоем общекультурном понимании, киборг — это существо с полностью механическим телом. Как минимум, внешней механической оболочкой.

Что мы имеем на сегодня?

Современные научно-технические достижения, накопленные за последние 50 лет, в сумме уже позволяют заменить 60-70% функций человеческого тела. В чём же мы больше всего преуспели бы, задайся целью создать киборга с наименьшим количеством органики?

Конечности

Наибольшего успеха учёные и конструкторы достигли в создании искусственных конечностей. Например, бионический протез i-Limb от компании Touch Bionics с помощью датчиков снимает сигналы с мышц, имеющихся на остатке/рудименте конечности, и интерпретирует как то или иное движение, которое пытается сделать человек.

Однако самой прорывной технологией сегодня является искусственная конечность, управляемая мысленно. В Агентстве оборонных технологий (DARPA) разработали механическую руку, которая подключается к мышечным нервам, так что человек может двигать ею, просто представив, что он двигает собственной рукой. Конечно, в домашних условиях такой протез установить не получится, если у вас нет собственной операционной и нейрохирурга.

Это не единственный проект подобного рода, в начале прошлого года публике была представлена искусственная нога, управляемая по тому же принципу, что и рука от DARPA. Со стороны это выглядит совершенно фантастически. За кадром пока остаются особенности эксплуатации и обслуживания подобного протеза, как и его очень высокая стоимость.

Кости

По нынешним меркам, одна из самых простых искусственных замен в организме. Чаще всего искусственные кости, от больших берцовых до позвонков, изготавливают из титана. Однако успехи в 3D-печати теперь позволяют создавать высокоточные пластиковые замены.

Органы

Задача искусственного воспроизведения внутренних органов гораздо сложнее по сравнению с теми же конечностями. Дальше всего мы продвинулись в создании искусственного сердца, причём эта технология постоянно улучшается. Судя по всему, скоро станет возможным создание полноценных искусственных почки и глаза.

Некоторого успеха учёные добились на пути к созданию клеток искусственной печени, однако до воспроизведения самого органа ещё далеко. Ведутся работы и по созданию искусственного кишечника. Кроме всего перечисленного, ждут своих исследователей и искусственные мочевой пузырь, селезёнка, лимфатическая система, желчный пузырь… Не говоря уже о самом сложном органе в человеческом теле…

… о мозге

В сухом остатке

Важным аспектом в создании полноценного киборга является наша социальная и этическая неготовность к принятию этого события. Посмотрите, например, как тяжело проникает в общество идея клонирования. Создание людей с механическим телом, а особенно с улучшенным биологическим, многими будет расценено как присвоение человеком божественной роли Создателя. У этого мнения будет немало сторонников, и, возможно, понадобится не одно десятилетие для сглаживания социального и религиозного неприятия.

Сегодня мы находимся в самом начале развития биотехнологий. Сегодня очень трудно предсказать, каким будет (и будет ли) киборг будущего. Вероятнее всего, механическое тело будут делать максимально похожим на настоящее. Так что образ Робокопа так и останется невоплощённой в жизнь кинофантазией.

Обзор

Соединение биологического организма и техники — увлекательная и вовсе не такая опасная область, развивающаяся на стыке нескольких наук.

Автор

Редакторы

Сейчас имплантация медицинских приборов — один из самых прибыльных видов бизнеса в США. Такие приборы используют и для восстановления функций организма, и для улучшения жизни, и для проведения инвазивных анализов.

Имплантированная техника: от традиционных приборов до новейших разработок

Трудно поверить, но тандем ученых и врачей успешно создает киборгов уже несколько десятилетий. Всё началось с сердечно-сосудистой системы. Более 50 лет назад был создан первый полностью находящийся под кожей электрокардиостимулятор — устройство, которое поддерживает и/или регулирует частоту сердечных сокращений у больного. В наши дни ежегодно вживляется более 500 000 таких приборов. Появились и новые технологии: например, существует имплантируемый кардиовертер-дефибриллятор для лечения угрожающей жизни тахикардии и фибрилляции.

Рисунок 1. Ожидается, что тестирование работы искусственного сердца на людях начнется в 2018 году.

Помимо сердца, традиционно девайсы интегрируют в организм для доставки лекарств при хронических заболеваниях — как это делает, например, инсулиновая помпа при сахарном диабете (рис. 2). Сейчас такие же приборы используют для доставки препаратов в ходе химиотерапии или лечения хронической боли.

Рисунок 2. Имплантируемая инсулиновая помпа для людей с сахарным диабетом — классический пример кибернизации человека.

Всё популярнее становятся имплантируемые нейростимуляторы — дейвасы, стимулирующие определенные нервы в организме человека. Разрабатывают их для применения при эпилепсии, болезни Паркинсона, хронических болях (видео 1), недержании мочи, ожирении, артрите, гипертонии [2] и многих других нарушениях.

Видео 1. Как стимуляция спинного мозга изменяет болевые сигналы до их попадания в мозг

На совершенно новый уровень вышли имплантируемые приборы для улучшения зрения и слуха [3], [4].

Измерить всё: биосенсоры

Все упомянутые разработки призваны восстановить утраченную или отсутствующую функцию организма. Но появилось и другое направление развития технологий — миниатюрные имплантируемые биосенсоры, регистрирующие изменения физиологических параметров организма [5]. Вживление такого прибора тоже делает из пациента киборга — хотя и в немного непривычном смысле слова, ведь у организма не появляется никаких сверхспособностей.

Одним из самых перспективных направлений считают применение биосенсоров в онкологии [7]. Отслеживая изменения специфических параметров непосредственно в опухоли, можно вынести вердикт об эффективности лечения и атаковать рак именно в тот момент, когда он наиболее чувствителен к тому или иному воздействию. Такая целенаправленная распланированная терапия может, например, уменьшить побочные эффекты облучения или подсказать, стоит ли менять основное лекарство. Кроме того, измеряя концентрации различных раковых биомаркеров, иногда можно диагностировать само новообразование и определить его злокачественность, но главное — вовремя выявить рецидив.

У некоторых возникает вопрос: а как сами пациенты реагируют на то, что в их тело вживили приборы и тем самым превратили в некоторого рода киборгов? Исследований по этой теме пока немного. Однако уже показано, что по крайней мере мужчины с раком простаты к вживлению биосенсоров относятся позитивно: идея стать киборгом пугает их гораздо меньше, чем вероятность потерять свою маскулинность из-за РПЖ [8].

Прогресс в технологиях

Широкое распространение имплантируемых девайсов тесно связано с техническими усовершенствованиями. Например, первые вживляемые кардиостимуляторы были размером с хоккейную шайбу, а использовать их можно было меньше трех лет. Сейчас же такие приборы стали гораздо компактнее и работают от 6 до 10 лет [4]. Кроме того, активно разрабатываются элементы питания, которые могли бы использовать собственную энергию тела пользователя — тепловую, кинетическую, электрическую или химическую.

Другое направление инженерной мысли — это разработка специального покрытия приборов, которое бы облегчало интеграцию девайса в организм и не вызывало воспалительного ответа. Подобные разработки уже существуют [9].

Совместить сенсор и живую ткань можно и иначе. Исследователи из Гарвардского университета разработали так называемые кибернетические ткани, которые не отторгаются организмом, но вместе с тем считывают датчиками нужные характеристики [10]. Их основа — это гибкая полимерная сетка с прикрепленными наноэлектродами или транзисторами [11]. Из-за большого количества пор она имитирует естественные поддерживающие структуры ткани. Ее можно заселять клетками: нейронами, кардиомиоцитами, клетками гладкой мускулатуры. Кроме того, мягкий каркас считывает физиологические параметры окружающей его среды в объеме и в режиме реального времени.

В дальнейшем разработку можно будет использовать и в регенеративной медицине, и в трансплантологии, и в клеточной биофизике. Она пригодится и при разработке новых лекарств: за реакцией клеток на вещество можно будет наблюдать в объеме.

Как рассказывает профессор Двир (Tal Dvir), руководитель исследования из Университета Тель-Авива, в перспективе такое устройство сможет регулировать свое собственное состояние. Например, при обнаружении воспаления в окружающей его среде высвобождать противовоспалительный препарат, а при недостатке кислорода — молекулы, рекрутирующие сосудообразующие клетки к сердцу. Кстати, сейчас группа исследователей изучает, можно ли подобный киберпластырь использовать в головном и спинном мозге для лечения неврологических заболеваний.

Протез для мозга

Ранее считалось, что после травмы нейроны сильно реорганизуются и создают новые связи. Однако новое исследование показало, что степень реорганизации нервных клеток не так и высока.

Иан Беркхарт (Ian Burkhart) в 19 лет сломал себе шею, ныряя в волны на отдыхе. Сейчас он парализован ниже плеч и поэтому решил стать добровольцем в эксперименте исследовательской группы Чеда Бутона (Chad Bouton). Ученые сняли фМРТ (функциональную магнитно-резонансную томограмму) головного мозга испытуемого, пока тот фокусировал внимание на видео с движениями рук, и определили ответственную за это часть моторной коры. В нее и имплантировали чип, считывающий электрическую активность этой области мозга тогда, когда пациент представляет движения своей руки. Чип преобразует и передает сигнал через кабель к компьютеру, а далее эта информация идет в виде электрического сигнала на гибкий рукав вокруг правой руки испытуемого и стимулирует мышцы (рис. 5; видео 2).

Видео 2. Иан Беркхарт — первый парализованный человек, вновь получивший возможность двигать рукой благодаря развивающимся технологиям

После тренировок Иан может раздельно двигать пальцами и выполнять шесть разных движений запястья и кисти. Казалось бы, пока немного, но это уже позволяет поднять стакан воды и поиграть в видеоигру, изображающую исполнение музыки на электрогитаре. На вопрос, каково это — жить с имплантированным устройством, первый парализованный человек, которому вернули возможность двигаться, отвечает, что уже привык и не замечает его — более того, это как будто продолжение его тела.

Киберобщество

Люди с протезами, пожалуй, лучше всего вписываются в стандартное восприятие человека-машины. Однако таким киборгам жить в реальности гораздо труднее, чем аналогичным книжным и киношным персонажам. Статистика по мировой инвалидности поражает. По данным ВОЗ, около 15% населения Земли имеет физические недостатки разной степени, а от 110 до 190 миллионов человек испытывают значительные трудности с функционированием организма. Подавляющему большинству людей с ограниченными физическими возможностями приходится пользоваться обычными громоздкими колясками либо неудобными и дорогими протезами. Однако сейчас появилась возможность быстро, качественно и дешево создать нужный протез с помощью 3D-печати. Как считают ученые, именно таким способом можно помочь в первую очередь детям из развивающихся стран и всем тем, у кого ограничен доступ к медицинским услугам [16].

Некоторые действующие киборги даром времени не теряют и принимают участие в различных открытых встречах. Например, прошлогодний фестиваль Geek Picnic, прошедший в Москве и Санкт-Петербурге, был посвящен именно людям-машинам. Там можно было увидеть гигантскую роборуку, пообщаться с людьми, чье тело было усовершенствовано технологиями, и побывать в виртуальной реальности.

Рисунок 6. Кибатлон — первая олимпиада, в которой люди с ограниченными возможностями соревнуются друг с другом с помощью технических новинок. При победе одну медаль вручают спортсмену, вторую — разработчику механизма.

Posthumans: киборги и биоэтика

Новые имплантируемые технологии в целом воспринимаются обществом позитивно. Это и не удивительно: ведь они поддерживают, восстанавливают и улучшают здоровье, облегчают доступ к медицинским услугам, при этом они безопасны и в будущем могут значительно снизить затраты на здравоохранение в мировом масштабе. Однако стоит заговорить о таких пациентах как о киборгах, как тут же всплывают коннотации из научной фантастики (рис. 7). Основные опасения связаны со страхом за человечность человека [17]: а что, если машины изменят человека, и он утратит свою человеческую сущность? Где граница между искусственным и естественным для человека и стоит ли использовать такое разделение для оценки какого-либо явления? Можно ли разделить пациента-киборга с вживленным прибором на две отдельные составляющие — человека и машину — или это уже цельный новый организм?

Рисунок 7. Робокоп — киборг, персонаж серии фантастических фильмов.

Кроме того, иногда даже в обычных больничных условиях невозможно разделить пациентов и аппараты для их поддержания [18]. Медперсоналу нужно заботиться о технике так, как если бы она была не просто продолжением организма больного, но и им самим.

Видео 3. Киборгу-барабанщику Джейсону Барнсу после потери части руки не было нужды прощаться с музыкальной карьерой: со специальным протезом он даст фору большинству своих коллег

По многим причинам прийти к единому мнению, что же делает человека человеком и кардинально отличает его, с одной стороны, от других живых существ, а с другой — от роботов, так и не удается.

Наконец, возникает еще один вопрос, о котором пока мало задумываются, — проблема безопасности и контролируемости. Как сделать подобные приборы устойчивыми к хакерским атакам? Ведь незащищенность таких разработок может быть крайне опасной не только для самогό пользователя, но и для окружающих. Возможно, именно этот вопрос будет больше всего волновать следующее поколение пользователей (рис. 8).

Рисунок 8. Богатая фантазия японских сценаристов уже воплотила тему хакерства в жизнь: вдруг в будущем киборгам придется расследовать убийства, совершенные взломанными роботами.

Пожалуй, управляемые извне люди-киборги — самое страшное. По крайней мере, на сегодня. Однако с нервными системами попроще это активно практикуют. Например, для поисковых и спасательных целей успешно используют насекомых-биоботов — к примеру, мадагаскарских тараканов (рис. 9) [23–25]. Кроме того, такие модернизированные просто устроенные существа — еще и прекрасные опытные объекты для нейробиологии.

Рисунок 9. Биобот — существо с простой нервной системой, которую можно контролировать вживленной техникой. Повторить такое для мозга человека вряд ли удастся из-за сложной структуры органа.

Заключение

Киборги уже живут среди нас — нравится это отдельным представителям общественности или нет. Технические границы раздвигаются, и наверняка новые разработки улучшат качество жизни многим людям с ограниченными возможностями и помогут в медицинской практике.

Это человек, который разрабатывает протезы конечностей и органы, совместимые с живыми тканями. Он работает на стыке медицины, нейрофизиологии, инженерии и программирования. Разрабатывает протезы вместе с дизайнерами, инженерами-робототехниками и пилотами-тестировщиками.

Чем занимается разработчик киберпротезов

Сначала такой специалист создает проект бионического протеза или органа. Он изучает биоэлектрические импульсы, связывающие нервную и мышечную системы человека, и придумывает, как их соединить с протезом. Например, чтобы на протезе руки двигались пальцы, в него встраивают специальные мио-датчики. Они считывают электрический потенциал сохранившихся мышечных тканей и посылают сигнал в протез — тут и происходит движение. Затем специалист создает 3D-модель для принтера. Он моделирует устройство по индивидуальным параметрам и готовит к покраске.

Если человек будет плавно помахивать рукой, а потом резко захочет ее опустить, протез должен считать это желание так же быстро, как живая рука.

Ключевые навыки

Как объяснил РБК Трендам Илья Чех, разработчику киберпротезов следует разбираться в электронике, программировании, материаловедении, конструировании, биофизике и нейрофизиологии. А вот несколько его основных навыков:

написание и отладка кода;
управление проектами и проектирование механизмов, прототипов, макетов, чертежей;
работа с 3D-принтерами и программами 3D-моделирования;
установка и контроль протеза;
межкультурная коммуникация;
экологическое и системное мышление;
наблюдение за пациентом.

Тренды и направления профессии

Киборгизация — это объединение технологий и органики, создание гибрида биологического существа и машины. По мнению Чеха, новое направление активно развивается и скоро станет одним из ключевых в медицине.

Следующий шаг в развитии протезирования — создание вживляемых интерфейсов, которые будут считывать сигналы мозга нашему телу. Например, американские ученые разработали нейроинтерфейс, помогающий парализованным людям пользоваться планшетом. Он передает сигнал от вживленных в кору головного мозга электродов к планшету через Bluetooth. Люди с таким интерфейсом уже смогли сделать покупки, пообщаться в мессенджере и посчитать на калькуляторе.

Чтобы разрабатывать долгосрочные интерфейсы и выпускать их на рынок, текущих технологий и материалов пока не хватает. По словам Чеха, это серьезный технологический вызов, история недалекого будущего.

Откуда придет профессия

По словам Ильи Чеха, разработчиков киберпротезов в нашей стране очень мало, всего пару сотен на всю Россию. Обычно они приходят из смежных отраслей — медицины или инженерии. Доучивать такого работника нужно несколько месяцев, а готовить с нуля — три-пять лет. Чем быстрее вырастет рынок, тем больше вузов станут готовить таких специалистов.

Как стать разработчиком киберпротезов

Будущему специалисту лучше определить для себя приоритетную область знаний, но обязательно следует интересоваться смежными областями.

Чем занимается разработчик киберпротезов

Ключевые навыки

написание и отладка кода;
управление проектами и проектирование механизмов, прототипов, макетов, чертежей;
работа с 3D-принтерами и программами 3D-моделирования;
установка и контроль протеза;
межкультурная коммуникация;
экологическое и системное мышление;
наблюдение за пациентом.

Тренды и направления профессии

Откуда придет профессия

Как стать разработчиком киберпротезов

Киборги — это не только герои фантастических фильмов. Это не терминатор, не робот полицейский и даже не Карлсон, который живёт на крыше. Они давно среди нас, просто они не всегда напоминают киборгов из фантастических фильмов.

Слава психонавтам!

Мечтать о будущем проще, когда о нём почти ничего не знаешь. В 1960 году космонавтика была именно такой темой. Человек никогда не покидал атмосферы Земли. Специалисты имели лишь смутное представление о том, что ждёт космонавта на орбите. И даже они не знали, в каком направлении пойдёт развитие космической техники, каким будет следующий шаг.

Стимуляторы позволят космонавтам неделями обходиться без сна и отдыха. Внутривенные питательные смеси устранят необходимость сразу и в еде, и в отводе отходов жизнедеятельности. Специальные препараты сократят радиационное повреждение тканей и атрофию мышц под действием невесомости. Кроме того космонавту понадобятся антипсихотические лекарства, помогающие не сойти с ума в полной темноте и одиночестве, и наркотики, с помощью которых можно отключиться на несколько месяцев или лет, если травма сделала существование невыносимым.

Механическая рука, 1564 год

Другие статьи в выпуске:

Жизнь химического киборга, которого описывают Клайн и Клайнз, выглядит до смешного мрачно. Это, впрочем, не чёрный юмор, а прагматизм, свойственный военным. Боевым пилотам в самом деле выдают декстроамфетамин, запрещённый наркотик, помогающий выдерживать двадцатичасовые миссии. Солдат кормят диметиламином — токсичным веществом, используемым в ракетном топливе и химическом оружии, которое способно на несколько часов повысить выносливость человека.

С дырочкой в правом боку

Давно замечено, что люди зря жалуются на XXI век, в котором не оказалось обещанных фантастами ракетных ранцев и городов на Марсе. Это мечты другого поколения — тех, кому теперь за пятьдесят. Нам же фантасты обещали совсем другое: тёмное будущее со зловещими мегакорпорациями, подпольных хакеров и роботов-убийц. И нельзя сказать, что их обещания не сбылись.

Между имплантатами Граафстры и научно-фантастическими устройствами, обозначаемыми тем же словом, зияет непреодолимая пропасть. Каждый из двух чипов, — по одному на каждую руку, — хранит несколько десятков битов информации, которая может быть считана дистанционно. Они не требуют питания, и в этом их главное достоинство. Граафстра использует чипы для того, чтобы открывать двери со специальными замками и ограничивать доступ к своему компьютеру и телефону. Некоторые смартфоны могут считать с его меток контактную информацию, но это вряд ли происходит часто. Кроме того, у Граафстры есть мотоцикл, который заводится от прикосновения.

Человек, в организме которого скрыта микросхема (даже такая жалкая), куда ближе к общепринятому представлению о киборгах, чем наркотические космонавты Клайна и Клайнза. Увы, стоит задуматься о её значении, и иллюзия рассыпается в прах.

Что, собственно говоря, представляют собой чипы Граафстры? Эквивалент электронного ключа или карты. Вся разница в том, что он носит их не в кармане, а под кожей, но суть остаётся той же. Аналогичный эффект достижим не только без проводов под кожей, но и вовсе без технических устройств. Электронную карту легко заменить на QR-код, нанесённый на кожу. От такого варианта уже не так веет будущим, верно?

Где сидит фазан

Хорошо, пусть RFID под кожей — это баловство, но что насчёт настоящих киберпанковских имплантатов, подключённых напрямую к нервам? Как ни странно, нейроинтерфейсы — вовсе не фантастика: они существуют, и довольно давно. Первая успешная операция, позволившая соединить компьютер и мозг без посредников, прошла в 1978 году. С тех пор эта технология только совершенствовалась.

Где же тогда мой нейропорт на затылке? Ответ прост. Даже самые совершенные рукотворные устройства имеют непреодолимый недостаток: она устаревают и ломаются. И, в отличие от обычного гаджета, который легко поменять, голова у нас на всю жизнь одна. Пациенты с тяжёлыми болезнями идут на риск, потому что альтернатива ещё хуже. Для здоровых людей это не вариант.

В 1969 году авторитетный научный журнал Nature опубликовал работу нейробиолога по имени Пол Бак-и-Рита. Чтобы изучить способность мозга к адаптации, Бак-и-Рита построил адское сооружение: кресло, спинка которого скрывала матрицу из четырёх сотен соленоидов. Соленоиды были соединены с видеокамерой, направленной вперёд. В зависимости от изображения на камере каждый соленоид вибрировал по-своему. Проведя несколько сеансов в таком кресле, незрячие люди начинали автоматически различать предметы, попадающие в поле зрение камеры. Это происходило оттого, что их мозг перестроился и научился различать тактильные образы, передаваемые креслом.

Этот подход с успехом применяется до сих пор. Даже сам Бак-и-Рита не остался в стороне. В 1998 году он основал компанию Wicab, которая производит устройство под названием BrainPort. BrainPort представляет собой небольшую пластинку с электродами, которую нужно положить на язык. Электронное устройство со встроенной камерой переводит изображение в электрические сигналы, подаваемые на пластинку. После недолгой адаптации люди, лишённые зрения, обретают способность интерпретировать электрические сигналы на языке как изображение, пусть и не очень качественное.

Другой пример — цветовой слух британского художника Нила Харбиссона. Нил имеет редкий врождённый дефект, делающий его зрение монохромным. Чтобы различать цвета, он носит на голове специальное приспособление, которое переводит цвета объектов в звуки различной тональности. На первых порах Харбиссон использовал его вполне сознательно, но в какой-то момент произошёл тот же скачок, который в своё время наблюдал Бак-и-Рита: мозг художника адаптировался к писку приспособления и научился использовать новый канал информации подсознательно.

А что будет, если вынудить мозг приспособиться к чувствам, которые не имеют нормальных человеческих аналогов? Опытами в этой области занимается нейробиолог Дэвид Иглман. Он использует приспособление, напоминающее кресло Бак-и-Риты с поправкой на полвека технического прогресса: матрица вибромоторчиков от мобильных телефонов встроена в ткань жилетки учёного.

Если он преуспеет, новые киборги будут не просто различать ультрафиолет и магнитное поле. В дополнение к обычным пяти органам чувств они получат новые: подсознательное биржевое чутьё, глаза на затылке и прямой канал в Twitter. Так и должно быть — это по-киборговски.

Читайте также: