XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бионические протезы нижних конечностей
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Протезирование (др.-греч. prothesis — присоединение, прибавление) — замена утраченных или необратимо повреждённых частей тела искусственными заменителями — протезами. Протезирование представляет собой важный этап процесса социально-трудовой реабилитации человека, утратившего конечности, или страдающего заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Протезирование является смежной дисциплиной между медициной и техникой, тесно связано с ортопедией, травматологией, восстановительной хирургией и др. Хотя протезирование как отдельная дисциплина отделилась в XIX веке, сведения о нём встречаются ещё в древние времена — у греческого историка Геродота, римского историка Плиния и других.
Протез - это специальная изготовленная модель той или иной потерянной функциональной части тела, начиная протезом глаз, рук и заканчивая протезами недостающих органов.
Цель проекта. Создать бионический протез, который даст возможность людям с ограниченными возможностями здоровья вести полноценную жизнь.
Задачи.
1. Изучить историю протезов.
2. Выбрать более выгодный вариант протеза (материал, внешний вид, функционал).
3. Собрать информацию о прогрессах протезирования.
Актуальность. Люди, перенесшие ампутацию, теряют возможность обычной жизни. Даже в наш век технологий, инженерам и врачам сложно придумать протез, который будет идеально функционировать как “настоящая” конечность, особенно протез нижних конечностей, так как надо правильно возобновить действия стопы, колена и т.д. Аналогично надо найти способ, как сделать протез легким, и чтобы он мог выдержать вес и физические нагрузки.
Объект исследования. Бионический протез
Гипотеза. Возможно ли в данный момент создать протез, идентичный “настоящей” конечности.
История
Первое упоминание о протезе встречается в Ригведе, которая сообщает, что женщина-воин потеряла ногу в бою, и для неё изготовили железный протез ноги. Древние египтяне были знакомы с протезированием, о чём свидетельствует мумия Нового Царства с деревянным пальцем. Долгое время протезирование развивалось слабо. Знаменитые пиратские крюки и деревянные ноги — ранние формы протезов. Далее бурное развитие протезирования началось в XX в., когда стали разбираться в механике. В это время появляются более современные типы протезов. Протезы хорошо имитируют потерянную часть тела и даже позволяют совершать движения. Все современные протезы состоят из трёх основных частей: крепление, компонент заменяемой части и косметическая облицовка.
Протезы можно разделить на 2 типа:
· Косметические. Предназначены для того, чтобы скрыть какие-то недостатки в физиологии.
· Функциональные. Позволяют вернуть физические возможности в результате утраченной конечности.
Функциональные можно разделить на:
· Рабочие.
· Механические.
· Бионические.
Косметические протезы – это анатомические копии конечностей, которые выполняют эстетическую функцию ампутированной конечности и служат для улучшения внешнего вида. Для их изготовления применяют безопасные материалы, которые не вызывают аллергии – качественный силикон, цвет которого подбирается под цвет кожи пациента. Рабочие протезы – это функциональные протезы, предназначенные для выполнения различных трудовых операций дома и на работе. Чаще всего такого рода протезы изготавливаются со сменными насадками, где каждая насадка предназначена для выполнения конкретного действия или работы – в огороде, гараже, мастерской, на даче и т.д. Механические протезы. Это многофункциональные конструкции, которые состоят из набора модулей, имитирующих суставы. Сборка протеза, как правило, выполняется индивидуально — протезист учитывает физиологические особенности пациента и степень его активности. На основе этого подбирается оптимальная конструкция с необходимым числом подвижных элементов. Ранее бионическими протезами называли устройства, похожие на замещаемую часть тела. С точки зрения современных понятий – это протезы, управляемые электроникой и биотоками, то есть использующие миографию или энцефалограмму.
Предвосхищая будущее: последние разработки в протезировании.
У современных протезов принцип действия заключается в регистрации его сенсорами так называемых электромиографических сигналов, возникающих в мышцах бедра и «говорящих» ноге, что ей делать дальше.
Мозг посылает эти сигналы даже тогда, когда ноги уже нет.
Начало эре бионических протезов было положено, когда первый биопротез реагировал на все движения пользователя и подстраивался под его походку, позволяя подниматься по лестнице и даже ездить на велосипеде В коленной чашечке у такого протеза находятся микропроцессор и четыре датчика, которые посылали в процессор сведения о движении тела, распределении веса и угле наклона, что давало микрочипу возможность предвидеть следующее движение владельца и среагировать на него. Последним на это время достижением считается создание биопротеза с управляемыми суставами колена и лодыжки. Протез получился довольно сложным, с множеством сенсоров, в том числе гироскопов и измерителей ускорения, электромоторчиков с редкоземельными магнитами и компьютерных чипов с малым потреблением энергии. Емкие литий-ионные батарейки позволяют перезаряжать искусственную ногу всего раз в сутки. Большое значение имеет то обстоятельство, что общий вес протеза сравним с весом нормальной, «биологической» ноги, в то время как все базовые функции ноги копируются этой системой. Протез не только координирует свои движения с движениями тела владельца, но и способен угадывать намерения владельца об изменении характера движения: начать подъем, замедлить ход, остановиться, пойти в другую сторону и т.д. Современные образцы способны заменить человеку обе ноги, и при этом он будет способен чувствовать неровности поверхности и способен контролировать свои движения в трудных участках пути. Происходит это благодаря микропроцессору внутри протеза, который анализирует поверхность, и ставит ступню в наиболее оптимальное положение в соответствии с тем, как это бы сделал здоровый человек. Протезу требуется довольно много электроэнергии для работы. Батареи, в среднем, хватает на несколько дней, что в условиях жизни в городе не проблема, однако отправиться в поход с бионическим протезом — не лучшая идея. Надо найти способ, чтобы механизм протезов не нужно было заряжать, придумать, как получать заряд в течении продуктивного дня. Бионический протез — приспособление дорогое. Современные модели обойдутся от 3 до 5 миллионов рублей. Но с каждым годом ценник опускается все ниже и ниже, потому что создание протезов упрощается. Сейчас большую часть протезов печатают на 3D-принтерах. Протезы, напечатанные на нём, очень легкие и довольно крепкие. Технический прогресс способен привести к значительному скачку в области биопротезирования. Недавно созданные искусственные мягкие мышцы, могут быть использованы в протезах будущего, наделяя обладателя превосходящей человеческую силой, а также снизить затраты на производство вследствие замены менее эффективных и дорогих моторов и сервоприводов на синтетические мышцы. Помимо синтетических мышц, параллельно ведется разработка синтетической кожи, способной передавать все чувства, которые может испытывать человек своей кожей: тактильные ощущения, температура, вес, давление, прочность объекта и многие другие. В совокупности с другими факторами, это позволит полностью заменить человеку потерянную конечность.
Итог
Имея всю эту информацию, можно понять, какие есть возможности для реализации этой идеи. Используя физику, информатику и творческий подход, можно помочь многим людям, у которых есть потребность в данных протезах, например, получившие травмы. В настоящее время, обучаясь по своей специальности и имея базу знаний, я могу начать работу над проектом по созданию протезов, которые будут похожи по своим свойствам на “биологические’’ конечности. Необходимо так же рассчитать их стоимость и дизайн и постараться сделать доступными для большинства людей с индивидуальным подходом.
Список литературы
https://ru.wikipedia.org/wiki
https://antiage.community/generalarticle/231-bionicheskij-protez-nog
https://moluch.ru/young/archive/34/1982/