Ефект Скайвокера у Львові: науковці Національного університету "Львівська політехніка" розробляють протези, які можуть "реанімувати" штучну кінцівку та відновити відчуття.

Це сфера, де складні математичні алгоритми та мікроелектроніка безпосередньо трансформуються у якість життя.

Сучасні технології протезування кінцівок стали одним із найважливіших і найінноваційніших напрямків української інженерії. У цій галузі складні математичні моделі та мікроелектроніка безпосередньо впливають на покращення якості життя людей, зокрема ветеранів, які повертаються з фронту. Про це повідомили у Львівській політехніці, інформує DailyLviv.com.

У стінах Львівської політехніки над цією проблемою працює тандем аспірантів кафедри інтелектуальної мехатроніки і роботики (ІМР) -- Руслан Копоть та Олексій Дідковський. Об'єднавши зусилля, молоді інженери створюють технології нового покоління: біонічні протези та інтелектуалізовані сенсори, здатні "оживити" штучну кінцівку та повернути пацієнтам втрачену чутливість.

Від залізної руки лицаря до кібернетики XXI століття

Спроби відновлення втрачених кінцівок мають багатовікову історію, і війни завжди відігравали ключову роль у цьому процесі. Археологи виявили бронзову "капуанську ногу", що налічує понад дві тисячі років, а також дерев'яні пальці, які датуються епохою Стародавнього Єгипту. У середньовіччі майстри-ковалі створювали важкі залізні протези для поранених лицарів, оснащені складними механізмами, які дозволяли їм тримати мечі та щити. У XVI столітті видатний французький хірург Амбруаз Паре здійснив справжній прорив, розробивши механічні протези з рухомими суглобами для ліктів і колін.

Сучасна індустрія протезування почала формуватися в другій половині XIX століття в США у відповідь на численні ампутації, викликані Громадянською війною. Перші та Другі світові війни стали каталізаторами для переходу до серійного виробництва протезів з легших матеріалів.

Сьогодні, в XXI столітті, війна, розв'язана Росією, перетворила Україну на глобальний осередок інновацій у галузі біоніки. Традиції українського протезування, які започаткувалися більше ста років тому в таких містах, як Харків, Київ і Львів, адаптувалися до нових реалій. Вітчизняні дослідники вже не обмежуються простим копіюванням західних моделей — вони активно впроваджують робототехнічні рішення та штучний інтелект (ШІ), розробляючи унікальні високотехнологічні продукти.

Як конфлікт вплинув на плани розробника.

Третьокурсник аспірантури Руслан Копоть із дитинства цікавився протезуванням, проте спочатку обрав шлях чистий ІТ -- закінчив бакалаврат з комп'ютерних наук у ЛНУ ім. Івана Франка. Він був упевнений, що програмування стане справою його життя, адже вважав: щоб створювати протези, обов'язково потрібно мати вищу медичну освіту.

Проте повномасштабне вторгнення кардинально змінило його пріоритети. Руслан продовжив навчання в аспірантурі Львівської політехніки і паралельно почав працювати у протезній компанії, безпосередньо допомагаючи військовим.

"Я зосереджую свою діяльність на покращенні протезів для верхніх кінцівок. У глобальній практиці ампутації рук становлять менше 15% у порівнянні з ампутаціями ніг, що робить їх менш дослідженими. Проте в Україні, через бойові дії, ця цифра стрімко зростає. Навіть найсучасніші та найдорожчі протези в найкращих умовах відновлюють лише до 50% рухливості. Моє завдання - змінити цю ситуацію," - зазначає Руслан.

Молодий інженер під час практики усвідомив, що сучасний протезист повинен мати глибокі знання анатомії. В Україні триває важлива реформа в цій галузі, і тепер кожен фахівець зобов'язаний мати основи медичних знань. Руслан спростовує стереотипи: поєднання технічної точності та розуміння анатомічних особливостей кукси (ампутованого залишку кінцівки) дозволяє створювати протези, які не завдають дискомфорту пацієнту. Більше того, чим коротша ампутована частина, тим складніше виготовити ефективний протез. Тут на допомогу приходить остеоінтеграція — новітня технологія, яка передбачає вживлення титанового імплантату безпосередньо в кістку. Ця методика активно розвивається в Україні і гарантує надійне закріплення штучної кінцівки.

Сенсори, які забезпечують чутливість: 23 роки практичного досвіду в галузі.

Якщо Руслан займається механікою, конструкцією та біомеханікою кінцівок, то "чарівність" взаємодії між тілом і металом втілює другокурсник аспірантури Олексій Дідковський. Його спеціалізація полягає в інтелектуальних біомедичних сенсорах.

Історія Олексія в світі науки вражає своїм непередбачуваним поворотом: він завершив навчання на тій же кафедрі (тоді вона називалася кафедра приладів точної механіки) у 2003 році. Проте, замість продовження навчання в аспірантурі, Олексій обрав шлях бізнесу, прагнучи реалізувати свої знання на практиці. Його кар'єра в міжнародних інженерних компаніях тривала 23 роки. Протягом цього часу він розробляв унікальні пристрої під ключ — від медичних глюкометрів до складних промислових систем, майстерно опановуючи всі етапи розробки електроніки.

Сьогодні Олексій повернувся в академічне середовище, щоб розробляти сенсори, здатні самостійно тестувати власну точність та автоматично підлаштовуватися під організм людини.

"Ми рухаємося до глобальної цифровізації. Сучасний фітнес-трекер легко розуміє, коли ви спите, біжите чи їдете на велосипеді. Наша мета -- перенести ці інтелектуальні алгоритми на протези. Будь-яка штучна рука працюватиме повноцінно лише тоді, коли сенсор зможе безпомилково зчитувати нейронні та міоелектричні (м'язові) сигнали людського тіла", -- зазначає Олексій Дідковський.

Окрім гониометричних датчиків, що вимірюють кути повороту суглобів і силу стиснення, Олексій також вивчає пропріоцептивні сенсори. Ці сенсори мають на меті забезпечити зворотний зв'язок з мозком: завдяки їм людина зможе відчути, чи є предмет, який вона тримає, гарячим, яка в нього текстура, а також наскільки міцно штучні пальці тримають крихку склянку.

Синергія науки, цифровых технологий и трехмерного моделирования.

Успіх львівських науковців базується на щільній інтеграції виробничої бази та сучасного програмного забезпечення. Завдяки системам автоматизованого проектування (зокрема SolidWorks) аспіранти та студенти створюють віртуальні лабораторії. На кафедрі ІМР студенти вже успішно захищають дипломні роботи, присвячені системам керування протезами рук та екзоскелетам.

Практичне моделювання виконується за допомогою оптичних 3D-сканерів. Інженер виступає в ролі точного фотографа: він сканує залишок кінцівки пацієнта, імплементує тривимірну модель у комп'ютер, ретельно створює індивідуальний приймач для кукси та виготовляє його на сучасному 3D-принтері. Це дає можливість розробляти легші, компактніші та значно більш міцні елементи.

Завідувач кафедри ІМР, професор Мирослав Тихан, згадує, як у часи його студентства кафедра розробила й запатентувала перший механічний датчик для вимірювання кутів суглобів тенісистів. Сьогодні ж напрям змінився докорінно:

"Ми оновили напрямок кафедри, зосередившись на мехатроніці. Сучасні пристрої не можуть бути виключно механічними. Це унікальне поєднання механіки, електроніки та штучного інтелекту. Включення мікрочипів, модулів Bluetooth чи Wi-Fi в протезах стало не лише реальністю, а й важливою технічною вимогою."

Майбутнє в мріях: гітарні насадки та кібернетична рука Скайвокера.

Дослідники мають позитивний настрій. Вони впевнені, що сучасні біонічні технології значно просунулися вперед, досягнувши рівня, який раніше сприймався лише як фантастика.

"Найяскравіше втілення нашої мети представив Джордж Лукас у своїй епопеї 'Зоряні війни', -- з усмішкою зазначає Олексій Дідковський. -- Згадайте ту сцену, де Люку Скайвокеру встановлюють кібернетичну руку, що має штучну шкіру, моментально реагує на його думки та здатна відчувати біль. Фантастика завжди перетворюється на реальність, якщо над нею працювати з завзяттям. Ми вже йдемо цим шляхом."

Молоді науковці ставлять перед собою не лише загальні медичні завдання, а й важливі гуманітарні цілі. Оскільки кожен звичайний протез є певним технічним компромісом (один і той же виріб не може зручно використовуватися для тримання ложки, бігу на марафоні чи набору тексту на клавіатурі), виникає потреба в спеціалізованих рішеннях для конкретних потреб.

В даний момент Олексій Дідковський займається амбітним проектом — розробкою спеціалізованих сенсорних насадок, що дадуть змогу українським військовим з ампутаціями рук знову відчути себе творчими особистостями, зокрема, грати на музичних інструментах. Інженери вважають, що повернення пораненим героям їхніх улюблених занять і професій є їхньою основною метою.

Доктор філософії Віктор Маркович, випускник кафедри, підкреслює: "Часи, коли науки існували окремо, канули в минуле. Інновації виникають на перетині різних дисциплін. Коли інженерна точність Політехніки поєднується з ІТ-технологіями та щирим бажанням допомагати, медицина майбутнього формується прямо тут, в Україні".

Актуальні новини можна знайти на каналі DailyLviv.com у Telegram та на Facebook.