Бионические протезы, что правда, а что вымысел. ЧАСТЬ I

Итак, для начала представлюсь, меня зовут Тимур, я на протяжении 5 лет занимаюсь изготовлением полуфабрикатов. Наша компания начинала путь с самых «грустных протезов» выполненные на FDM 3d принтере и медленными шагами эволюционировала до вполне годного продукта на рынке. Так как материала оказалось значительно больше, чем я могу осилить, разобью на n-е количество частей. Здесь я высказываю своё личное мнение, не относящееся к мнению компании или других ее участников.

Начнем с того, что называется протезом. Протез — это индивидуальное собранное изделие из полуфабрикатов и культеприемной гильзы. Полуфабрикаты в свою очередь это компоненты протеза, в зависимости от уровня ампутации в них могут входить кисть, ЭМГ электроды, искусственное запястье, локоть, плечо. А культеприемная гильза это индивидуальное средство, сделанное по слепку культи будущего пользователя, именно туда вставляется культя для управления протезом. Важно запомнить, что протез делает протезист, а полуфабрикаты компания производитель. И чуть не забыл, замученный термин бионический, не означает, то что ваш протез современный и является многосхватным. Бионический это общий термин обозначающий, то что ваш протез антропоморфный.

Протезы в свою очередь классифицируются, как активные и пассивные. К активным относятся механические и с внешним источником энергии. К пассивным косметические, рабочие.
Активные механические протезы, это те которые приводятся в движение благодаря тросам, которые натягиваются при движении либо лучезапястным суставом, если на уровне предплечья, либо при движении противоположного плеча при протезе на уровне плеча, предплечья. Несмотря на свою простоту и древность технологии, данный протез является самым простым в освоении, менее капризным в эксплуатации и функциональным. Помимо этого, его можно оснастить косметической оболочкой, та которая имитирует человеческую руку. Из недостатков это неудобство ношения и надевания протеза из-за ремней и тяг на протезе + он стремно выглядит.

Протезы с внешним источником энергии делятся в свою очередь на односхватные и многосхватные. Односхватные протезы классика 90х годов исходя из названия данный протез способен либо открываться, либо закрываться, получая команды с ЭМГ (электромиографических) электродов, которые улавливают электрический потенциал мышц, на остатках культи. Основной принцип управления можно описать, так «при напряжении мышц сгибателей кисть закрывается, при напряжении мышц разгибателей кисть открывается».

Многосхватные базируются на тех же технологиях управления, что и односхватная, но благодаря двигателю в каждом пальце способны двигать пальцами независимо друг от друга, однако из-за примитивности управления, движение пальцами определяется схватами. Схват — это заранее запрограммированная позиция и траектория движения пальцев. Существует протез Michelangelo, который обладает 2-мя двигателями, но благодаря чудесной механики Axon Bus способна выполнять несколько различных жестов.

Косметические протезы — те которые не обладают каким либо функционалом, однако максимально копируют внешний вид человеческой руки. Некоторые топовые модели могу эмитировать волосяной покров. Но в связи с тем, что инвалидность молодеет, появляется потребность в новом виде косметических кистей, я называю их киберпанковскими, они также не обладают каким либо функционалом, однако прекрасно выглядят пока что единственный производитель таких протезов это Glaze.

Рабочие протезы — это протезы направленные для узкоспециализированных задач, к примеру занятия спортом, плавание в бассейне, забивание гвоздей и т.д. Рабочие протезы дешевые, доступные и простые в применении.

Чуть не забыл про протезы при частичном усечении кисти или ампутации пальцев. Существует, как механический, так и электрический аналог. Механический действует по принципу рычага. Электрический считывает ЭМГ потенциал кисти, либо с помощью потенциометра считывает команды на открытие/закрытие, при нажатии фалангой пальца.

Самый частый вопрос, был касаемо, а действительно ли напечатанные протезы на 3d принтере такие же крутые, как и профессиональные изготовленные традиционными способами. Мой короткий ответ нет. Мы потратили много времени и средств чтобы добиться данного результата, но увы все попытки были провальными.

Разберем на примере единственного коммерческого протеза сделанный с помощью 3d печати от Open Bionics, Hero Arm (цена 9 800 GBP, но цена возможно поднялась). Hero Arm это олицетворение того, когда в маркетинг вложили всё, а остатки бросили на продукт.
Базовые параметры любого современного протеза по умолчанию должны быть: 1) Прочность и точность конструкции 2) Высокая сила схвата 3) Интуитивно понятное управление 4) Возможность кастомизации.

Все детали протеза изготовлены с помощью 3D принтера. И первая проблема которая бросается в глаза печати перед традиционной ЧПУ фрезеровкой это точность. На ЧПУ станке можно изготавливать детали с точностью 5..10 микрон (0,005..0,01 мм). У промышленных 3д принтеров — это в лучшем случае 100 микрон (0,1мм), а реально гораздо больше, примерно 200..300 микрон (0,2..0,3мм) — это очень плохо. На что влияет точность деталей? Это влияет на появление люфтов, зазоров, из-за этого возможны появление багов в управлении, когда протез просто сбивается и создает безумные жесты (да.. да именно для этого вас просят перезагрузить вашу кисть чтобы управление откалибровалось).

Вторая проблема касается прочности и выносливости конструкции. Минимальный срок службы современного протеза это 2 года, максимальный обычно это 5 лет. В современных протезах стараются компоновать различные материалы для того чтобы добиться оптимального показателя, веса, прочности и выносливости кисти, а в некоторых случаях увеличения трения в соприкасаемых поверхностях (кончики пальцев, внутренняя сторона кисти). В напечатанном протез в большинстве случаев используется основой либо ABS, либо полиамид, а там где нужна высокая эластичность материал типа Flex. Если ABS это вариант из-за которой кисть просто развалится по шву, то с полиамидом такое не прокатит он крепкий и немного эластичен, однако плохо терпит нарезание резьбы, что снижает его ремонтопригодность и срок службы. Помимо этого максимальный вес указанный производителем составляет 8 кг на пальцах кисти (но по факту, пальцы выдержат только 4 кг, пальцы может не сломаются, но вот тросы вылетят или привод разлетится), для современных протезов этот показатель составляет от 25-35 кг и то этого пока очень мало для того, чтобы дотянуть до человеческой кисти.

Сила схвата определяется двумя вещами. Во-первых это мотор, сердце любой кисти, именно двигатель отвечает за силу схвата, надежность схвата(в виде удержания предмета при активном состоянии) и точность движения пальцев. Во-вторых это редуктор пальца, преобразующий передаваемую мощность от вала мотора в полезную работу. На современных кистях стоят дорогостоящие двигатели либо от компании Maxon, либо от компании Faulhaber. Каждый мотор собирают эксклюзивно согласно сборочному чертежу, оснащен мотор надежным редуктором, двигателем со сроком службы 5 лет и энкодером, который по сути является компьютером проводящий различные замеры, что и позволяет точно двигать пальцами кисти, и контролировать создаваемое усилие. Каждая кисть обладает своим неповторимым редуктором, что дает различные преимущества, к примеру на нашей "Несуществующей" кисти стоит червячная пара, что дает возможность самоторможения, это снижает потребление кисти и возможность пассивного удержания предмета в кисти, даже если питание закончилось. В протез от Open Bionics стоит линейный актуатор с использованием мотора за $5 c Алиэкспресс, из-за этого кисть очень слабая, а управление мотором PQ12 осуществляется с помощью потенциометра очень низкую точность и сильно подвержен шумам от наводок и деградации характеристик при изменении температуры, про надежность мотора писать не будем.

В основном биоэлектрический протез, управляется с помощью ЭМГ электродов. Электроды считывают электрический потенциал мышц сгибателя и разгибателя. В классической системе используют 2 ЭМГ. Максимальное количество активных паттернов в классической системе 3. Но существуют и продвинутые системы pattern recognition от COAPT, который 3d печатный протез не поддерживает.
Первый принцип управления, используют триггеры, мышечное сокращение отдает команду на выбор жеста и его закрытие(пример: напряг мышцу 1 раз сработал жест номер 1, напряг мышцу 2 раза сработал жест номер 2 и т.д)
Второй принцип управления является последовательным. Т.е с помощью сокращения мышцы вы переключаетесь с одного жеста на другой последовательно (пример: напряг мышцу следующий жест, напряг еще раз следующий и т.д)
Третий принцип это пропорциональный, выбор жеста может быть, как триггерным, так и последовательным, однако в зависимости от силы напряжения мышц сгибателя/разгибателя меняется и скорость закрытия кисти.
В современных протезах могут управление комбинировать для удобства пользователя.
Касаемо проблем управления теоретически, 3d печатному ничего не мешает использовать указанные типы управления, однако из-за механики могут возникать проблемы в управлении в виде "путаницы пальцев" (когда одновременно происходит активация несколько разных жестов и пальцы сталкиваются друг с другом), количество ложных срабатываний (когда команды нет, а кисть двигается) и точность исполнений команд, когда пальцы съезжают.

Кастомизация может быть: 1) Настроек управления 2) Комплектации 3) Внешнего вида.

• Возможности настройки управления одинаковы, как и на всех протезах.
• Возможности комплектации у напечатанных протезов значительно ниже. К примеру у них нет искусственного запястья (для флексии), нет быстросъемного запястья для смены кисти без замены культеприемной гильзы.
• Возможности кастомизации внешнего вида. Вот тут 3D печатные протезы опережают всех. Тебе могут сделать любую кисть, хочешь под стилистику мультфильма "Холодная сердцем" пожалуйста, хочешь под стилистику "Железного человека" тебе ее привезет Роберт Дауни мл. Ограничивается только фантазией производителя. Здесь я выделю и похвалю компанию Glaze Prosthetic, она сделала просто эффектный косметический протез.

Такой широкий инструментарий внешней кастомизации связан с процессом производства. При запуске производства модулей кисти изготавливаются мастер модели, заготавливается спец. оснастка, подготавливаются станки, оптимизируется каждое действия, для того чтобы снизить кол-во брака, стоимость единицы изделия и поддерживать качество изготовленных деталей и точность исполнения. При 3d печати такого нет, все делается на 3d принтере и доводится вручную напильником, без необходимости настройки станкопарка, подготовки форм и оснастки. Тем самым позволяя без дополнительных финансовых затрат создать необходимый дизайн.

Просили - получите. В России 3d печатными протезами торгует только компания Моторика, возможно скоро появится и Open Bionics.
В наличии есть активный тяговый протез, односхватный с внешним источником энергии. Заострять внимание на техническом исполнении не буду, проблемы их кистей аналогичны другим напечатанным протезам.
Я попросил пользователей рассказать об опыте использования продукции от компании Моторики.

Итак первый человек, который ответил на мой зов это Алексей Логинов ( @cyb_loginoff). Алексей сначала носил механический напечатанный на 3d принтере протез, а сейчас является обладателем современного многосхватного протеза с внешним источником энергии от компании Vincent System.

- Привет, Алексей. На встрече ты говорил , что протез быстро рассыпался , сколько ты им проработал до первого ремонта. Были ли проблемы с тросами они рвались , они вытягивались? Максимальный вес который ты поднимал напечатанным протезом? Часто ли использовал напечатанным протезом, как функциональным изделием, а не как косметическим?

- Примерно через пол года у меня порвался 1 тросик на большом пальце... я его порвал сам... они растянулись и я хотел немного его намотать на регулятор натяжения и при сгибании в локте порвал. После этого я его уронил и отколол кусок пластика на кисти, но мне сразу все сделали и даже этот кусок как то наростили... очень часто сталкивался с проблемой выпадания тросика из ролика. Внутри ролики стоят не плотно и если ослабить тросики они могут соскочить с него, перетереться и порваться... а я за 1,5 года рвал 2 раза... в итоге я сам полностью отломал кисть, не стал заморачиваться по поводу ремонта и просто склеил её эпоксидной смолой. По функционалу протез, который я ношу сейчас значительно лучше. Механическим протезом от моторики я мог поднимать примерно 1.5, максимум 2 кг. Протез использовал в основном для эстетического вида, с ним я лучше чувствовал себя на улице, чем вообще без протеза. А также часто ронял предметы из-за того что предмет нужно было держать с согнутым локтем.

Алексея я пригласил почитать комментарии, можете если что задавать ему вопросы.

Второй человек с кем я связался это Анна Килина (@odnoilevoi). Анна является пользователем "дизайнерского" односхватного протеза с внешним источником энергии от Моторики. Цена 960 000 рублей, но история следующая компания пообещала предоставить за эти деньги многосхватный протез, однако прошло много времени, а протеза все ещё нет (это кстати один из страшных грехов в протезировании продавать, то чего нет).

- Итак, Анна. Сколько месяцев вы носите свой протез? Часто ли он ломается? Что вам в нем понравилось? Что вам в нем не понравилось? Вы получили протез, который вам обещали?

- Я носила протез около двух месяцев. Активно носить не смогла, потому что началась аллергия на металл, из которых изготовлены ЭМГ датчики. Плюс культеприемная гильза сделана спустя рукава, т.к между снятием размеров и датой выдачи протеза прошло 4 месяца, за это время параметры тела немного поменялись и протез в результате стал плохо сидеть. Ломалась кисть при этом часто, три раза в месяц, без какой либо причины. В нем нет, ничего того что мне бы понравилось, но с ним хотя бы можно нести пакет. А вот вещей который мне не понравилось целый список: 1) Качество сборки 2) Отсутствие приложения для управления протезом 3) Убогий дизайн, это АвтоВАЗ среди протезов 4) Нефункциональный дизайн, неудобный схват, глянцевая скользкая поверхность, отсутствия индикация уровня заряда 5) Очень плохая сборка, работает шумно и при тряске издает звук, как у маракаса (нет креплений электроники) и примитивный аналоговый выключатель, который тупо приклеен к корпусу.

- Анна, что бы вы порекомендовали будущим пользователям, на что обратить внимание при выборе комплектующих и протеза?

- Первое это обратить на функционал. На сколько хватает зарядки, есть ли защита от воды, есть ли приложение и для каких платформ. Касаемо дизайна и внешнего вида, протезы Моторики выглядят хорошо, только на фото, а в жизни, как-то грустно. Получить фидбэк от клиентов, а не от амбасадоров, т.к то что вещали амбасадоры Моторики, не соответствовало реальности. Обратить внимание на юридические аспекты, чтобы если что качать права и не стесняться. При изготовлении гильзы, уточнить какой будет гильза, как будет крепиться и какие материалы используются при ее изготовлении. Заранее познакомиться с протезистом.

Анну я также пригласил в комментарии поэтому можете адресовать ей вопросы.

Выбор модуля кисти обязательно взвешенный, спешка к хорошему не приведет. Сравните аналогичные продукты.
Если вам очень хочется напечатанный протез, чтобы он круто выглядел и при этом долго проработал, взгляните на продукцию Glaze Prosthetic. Если вам нужна именно многосхватная долгоработающая продукция, то вам нужно посмотреть, на TASKA, Michelangelo или Несуществующую кисть.

Поэтому при выборе обратите внимание на:

• Насколько кисть сильно сжимает предмет, отдельно измерьте насколько большим пальцем.
• Насколько надежно удерживает предмет, схватите предмет и попробуйте потрясти кистью.
• Проверьте удобно ли вам управление кистью. Проверьте насколько слушается вас кисть при усталости мышц.
• Убедитесь в наличии гибкой комплектации. Можно ли установить быстросъемное или искусственное запястье.
• Убедитесь в качестве сборки комплектующих. Нет ли дребезжания или не естественных зазоров.
• Не торопитесь при выборе той или иной кисти, т.к по закону аналогичную вы получите за гос.счёт, через 3 года и то не всегда.
• Убедитесь, что у протезиста, есть стендовый образец, на котором вы можете потрогать продукт в живую
• Изучить гарантийные обязательство. Как происходит процедура ремонта. Дают ли подменную кисть.

Для чего этот материал? В первую очередь для того, чтобы упростить процесс выбора протеза будущему пользователю. К сожалению контента такого рода не существует, чтобы затрагивал технические аспекты протезирования и это касается не только протезов, но и всех видов ТСР (технических средств реабилитации) изделий.

Что делать дальше?