Чем занимаются в лаборатории управляемых бионических систем Сеченовского университета

В 2022 году в Сеченовском университете Минздрава России открылась первая в стране лаборатория управляемых бионических систем. Какие устройства в ней уже удалось создать, какие задачи для науки еще предстоит решить и что ученые готовы предложить индустрии, рассказал заведующий лабораторией, кандидат физико-математических наук Алексей Максимкин.

— Алексей Валентинович, в лаборатории управляемых бионических систем Вы с коллегами занимаетесь разработкой полимерных актуаторов. Что они собой представляют и почему их называют искусственными мышцами?

— Актуатор — это в принципе любое исполнительное устройство, которое преобразует один вид энергии в механическое движение.. Полимерный актуатор — это устройство, которое растягивается, сжимается, изгибается или как-то еще меняет форму под воздействием внешнего стимула: электричества, температуры, нагнетаемого воздуха и т. д. Называть полимерные актуаторы искусственными мышцами не совсем верно — по принципу работы они ближе к двигателям. Но такое название отражает схожесть функций разрабатываемых у нас актуаторов с функциями биологических мышц и потенциальную область их использования.

В лаборатории мы занимаемся созданием актуаторов для медицинского применения — в первую очередь для носимых или имплантируемых устройств. Поэтому фокус нашего внимания сосредоточен преимущественно на электроактивных актуаторах, то есть системах, питаемых электричеством. Когда мы подаем ток, актуатор сокращается, когда перестаем — соответственно, расслабляется.

Несмотря на обилие существующих полимеров, далеко не все из них подходят для таких специфических задач. Поэтому нередко нам приходится синтезировать новый полимер самостоятельно или дорабатывать существующие, оптимизировать их свойства. В России не так много учреждений, где работают с наукоемкими продуктами в этой области. Поэтому мы, по сути, реализуем весь цикл разработки с нуля: от синтеза материала до его использования в конкретном устройстве.

— Ваша лаборатория занимается инженерными задачами в медицине. Как удается совмещать эти области?

— Действительно, наша команда состоит в основном из инженеров и химиков. Поэтому мы работаем с запросами врачей извне, пока что в первую очередь из Клинического центра Сеченовского университета. Это позволяет развиваться именно в том направлении, которое необходимо медицине. Чем больше запросов на разработки мы получим, тем лучше для нас. Так мы поймем, каких именно устройств и технологий не хватает, а также сможем получать обратную связь в процессе работы: какие функции следует добавить, удобно ли пациенту и врачу пользоваться устройством, не вызывают ли используемые материалы аллергии и многое другое.

— Вы упомянули электроактивные актуаторы. Чем они хороши?

— Электроактивные полимеры сегодня считаются материалами будущего, потому что по комплексу своих свойств они превосходят наши мышцы — например, с их помощью можно создавать намного более «сильные» и «выносливые» бионические протезы, высокотехнологичные биомедицинские имплантаты. Но пока что и в России, и в остальном мире их использование в медицине скорее исследовательская область, чем прикладная. В разработке устройств на их основе есть ряд сложностей, которые до конца еще никто не решил.

Первая — им необходим источник питания. Он должен быть миниатюрным, чтобы не доставлять неудобств пользователю, но при этом достаточно мощным, чтобы питать устройство на протяжении долгого времени. Из этого вытекает следующая проблема: в случае повреждения устройства оно не должно навредить носителю. Особенно это важно в случае имплантируемых устройств: если подать на ткани организма высокое напряжение, это чревато серьезными травмами. При этом просто изолировать полимер и электроды тоже нельзя — это скажется на функциональности устройства.

И еще у существующих электроактивных полимеров невысокая скорость срабатывания и амплитуда — по сути, это небольшие сокращения 1–3 раза в секунду. Поэтому пока что наша фундаментальная задача — создать такие материалы, которые будут реагировать так же быстро и эффективно, как и наши собственные мышцы. Также необходимо довести до совершенства и сами электроды: чтобы не мешать работе актуатора, они должны быть такими же гибкими и податливыми, как и он сам.

Кроме того, сложно спрогнозировать скорость износа таких актуаторов. Полимеры похожи на живые системы тем, что их свойства зависят от свойств окружающей среды. Например, температура воздуха поднялась, полимер тоже нагрелся, и его механические свойства изменились: «искусственная мышца» стала сокращаться сильнее или, наоборот, меньше. Для каждого материала необходимо провести множество экспериментов, чтобы учесть все возможные изменения и найти способы их корректировки.

Поэтому, несмотря на заманчивые перспективы, электроактивные актуаторы мы пока используем очень осторожно и не создаем на их основе имплантируемые устройства.

— А какие создаете?

— Сейчас мы сосредоточены на разработке реабилитационной техники. Если говорить именно об электроактивных актуаторах, их мы применили в прототипе противопролежневого матраса. Такие матрасы необходимы для лежачих больных: когда та или иная область тела испытывает длительное сдавление, нарушается питание тканей и развивается некроз. Чтобы избежать этого, необходимо раз в несколько часов переворачивать пациента или использовать специальные противопролежневые матрасы. Существующие модели — это надувные матрасы со множеством камер, которые с помощью компрессора то накачиваются воздухом, то сдуваются. Но эти устройства объемные и громоздкие, а компрессор постоянно шумит, и это мешает пациенту. Кроме того, у них достаточно большой размер ячеек, а пациенту нужно более точечное воздействие.

В нашем прототипе мы используем кольцевые актуаторы, которые представляют собой заполненную минеральным маслом ячейку с двумя электродами. Под воздействием электрического тока электроды притягиваются друг к другу, вытесняя масло к краям ячейки. Сейчас диаметр одной ячейки составляет около четырех сантиметров, но в перспективе он будет гораздо меньше. Такой матрас, во-первых, тонкий и бесшумный, а во-вторых — каждая ячейка может работать независимо от другой. Это позволяет активировать ячейки не одновременно, а по заданной программе.

При этом каждая ячейка противопролежневого матраса может выступать в качестве датчика давления — это позволяет определять области тела, где риск пролежней наиболее высок. Так, матрас может прорабатывать проблемные участки активнее, а при необходимости более равномерно перераспределять давление по телу пациента.

— Лаборатория существует два года. Удалось ли за это время создать разработки, которые уже нашли своих пользователей?

— Да, мы уже разработали на основе пневматических актуаторов перчатку для пациентов с неврологическими заболеваниями. Она задумывалась как устройство для восстановления мышечной активности кистей рук у пациентов, перенесших инсульт, но сейчас нашла применение в детской реабилитации. Устройство представляет собой перчатку с пятью силиконовыми актуаторами, которые располагаются поверх пальцев пациента и под воздействием сжатого воздуха меняют форму, помогая сгибать пальцы. И это оказалось полезно при работе с детьми, страдающими от ДЦП и других нарушений. Сейчас наш прототип проходит испытания в детском научно-практическом центре физической реабилитации и спорта «Гросско», и это позволяет получить ценную обратную связь и понять, что именно необходимо доработать и улучшить.

Подобные устройства есть за рубежом, но в России пока что не производятся. Кроме того, в зарубежных аналогах используются не полимеры, а гофрированные трубки. Это не позволяет в достаточной степени контролировать нагрузку, ограничивает амплитуду движения и затрудняет использование при спастике, травмах или параличе. Мы же смогли избавиться от этих недостатков.

Также в «Гросско» применяется разработанный нами полимерный пневмозахват, который используется в качестве тренажера для развития сдавливающего движения кисти. Сжимая грушу, ребенок накачивает воздух в мягкий манипулятор, похожий на кран из автомата для ловли игрушек, и с его помощью перемещает небольшие предметы.

— Пневматические актуаторы изучены уже достаточно хорошо?

— Да, и этим очень удобны. Их использование, конечно, имеет определенные ограничения, но при этом разработка устройств на их основе занимает гораздо меньше времени. При этом у нас есть возможность создавать устройства с нуля под любые задачи: те же пневмозахваты не новы сами по себе, но мы можем изготавливать их с индивидуальными характеристиками по запросу от врачей или индустрии. В медицине их можно использовать, например, в высокотехнологичной хирургии для работы с внутренними органами. За ее пределами — практически для любых задач, от сортировки нежных фруктов на складах до работы с окрашенными автомобильными запчастями. Там, где классический механический манипулятор может повредить предмет, пневмозахват будет мягко его «обтекать», не создавая излишнего давления. Все возможности для создания подобных захватов у нас уже есть.

— Реабилитация выглядит довольно перспективной областью для применения полимерных актуаторов. Как еще их можно использовать?

— Технология, которую можно реализовать уже в ближайшей перспективе,— это создание «умных» экзоскелетов. Существующие модели позволяют компенсировать нарушенные функции — например, ходьбу, но они оставляют мало возможностей именно для восстановления. Если снять с мышцы нагрузку, то рано или поздно она попросту атрофируется. У реабилитационного экзоскелета же должна быть иная задача: постепенно уменьшать компенсацию, давая пациенту возможность все больше пользоваться собственными мышцами.

Мы предлагаем использовать экзоскелеты с мягким каркасом, как у некоторых моделей ортезов, и мышцами Маккибена — разновидностью пневматических актуаторов на основе полимерной трубки со специальной ячеистой оплеткой. Это позволит контролировать нагрузку: допустим, в первую неделю реабилитации компенсировать функцию мышц на 80%, во вторую — на 70% и так далее, пока пациент не сможет двигаться полностью самостоятельно.

— А что насчет бионических протезов?

— Это следующий этап. Те бионические протезы, которые используются сейчас, были разработаны в 1970-е годы и с тех пор претерпели мало изменений. В них стоят электродвигатели, которые натягивают тросики, идущие к каждому пальцу. С их помощью пальцы сгибаются, разгибаются же с помощью обычной пружины. У протеза есть несколько видов систем управления, самая популярная — с помощью миодатчиков: пользователь напрягает определенную группу мышц, датчик это считывает и передает протезу сигнал — например, сжать все пальцы или какие-то определенные.

Проблема таких протезов в том, что их движения достаточно угловатые, механические. Кто видел так называемый танец робота, тот поймет, о чем речь. Замена двигателя, тросиков и пружин на электроактивные полимеры поможет решить эту проблему, придав движениям ту же плавность, что и у обычной человеческой конечности. Кроме того, это потенциально может снизить вес протеза. В России очень мало компаний, которые занимаются разработкой бионических протезов, поэтому внедрение новых технологий позволило бы значительно развить возможности этой индустрии.

— Мы поговорили о тех устройствах, которые соприкасаются с человеком извне. А что насчет имплантируемых актуаторов?

— Это уже чуть более отдаленное будущее, за горизонтом десятилетия, но и здесь область применения очень широка. Например, это искусственные клапаны сердца или даже целое искусственное сердце. Полимерные мембраны, способные изгибаться, менять форму по заданным параметрам, уже существуют. Или замена на электроактивные актуаторы утраченной из-за травмы или болезни группы мышц. Это не обязательно должна быть, например, нога. Так, это могут быть мышцы лица. Например, с помощью имплантируемого электроактивного актуатора можно скорректировать птоз века или вернуть возможность улыбаться для пациентов с парализованными после инсульта мышцами лица. Сейчас в таких случаях используют фрагмент нерва из другой части тела, но часто это не дает удовлетворительного результата. Для передачи импульса актуатор нужно будет подсоединить к сохранившим функцию нервам. Батарею такого актуатора можно заряжать беспроводным путем.

Самый простой вариант — замена сфинктеров в пищеварительной или выделительной системе. Сфинктер — это круговая мышца, по сути, клапан, поэтому здесь даже не обязательны электроактивные полимеры, хватит пневматических актуаторов, подведенных к небольшому компрессору.

— Где еще можно использовать полимерные актуаторы помимо медицины?

— Конечно же, это робототехника — создание человекоподобных роботов с естественной мимикой и движениями. Но есть и более приземленные варианты. Например, с помощью термоактивных актуаторов можно настроить открывание окон в зависимости от температуры. Стало теплее — актуатор сократился, окно открылось. Похолодало — удлинился, окно закрылось. Это может найти применение в сельском хозяйстве, в теплицах. По сути, элемент «умного» дома, но без электроники, а значит, не отключится из-за перепадов в электросети.

Или различные мембранные насосы — например, для химической промышленности. В них используются мембраны, которые приводятся в движение с помощью отдельного привода. Мембрана из электроактивного актуатора позволит отказаться от использования дополнительного привода, что в лучшую сторону скажется на массе и габаритах насоса.

Электроактивные полимерные актуаторы могут работать и в обратном направлении, то есть при механическом воздействии на них они могут вырабатывать электроэнергию. Такие актуаторы могут вырабатывать электроэнергию от колебания морских волн. Термочувствительные полимерные актуаторы могут использовать побочное тепло, например, от ТЭЦ или бензиновых двигателей, для генерирования механической энергии с последующим ее преобразованием и накоплением в виде электроэнергии.

На самом деле найти применение для полимерных актуаторов можно практически в любой области, и в любой области это пойдет на пользу. Эта отрасль индустрии активно развивается в последние десятилетия: в 2021 году мировой рынок полимерных актуаторов составлял 1,65 млрд долларов, а к 2029 году, по оценкам экспертов, вырастет до 3,5 млрд. Сейчас уже существуют некоторые типовые решения для наиболее распространенных задач, но, как показывает практика, без индивидуального подхода пока что мало где можно обойтись. Поэтому именно в этом направлении наша лаборатория и развивается.

Подготовлено при поддержке Сеченовского университета