Хью Герр — человек, который решил создать себе другие ноги

Потеряв обе ноги в 17 лет, он вернулся к скалолазанию, а затем помог превратить протез из механической опоры в устройство, взаимодействующее с нервной системой человека

Январь 1982 года. Четыре дня на горе

Белые горы, штат Нью-Гэмпшир, США. Семнадцатилетний Хью Герр уже считался исключительно талантливым скалолазом. Его целью было стать одним из лучших альпинистов мира.

В январе 1982 года Герр вместе с товарищем отправился на зимнее восхождение на гору Вашингтон (Mount Washington), известную суровыми погодными условиями.

Во время восхождения началась снежная буря. Альпинисты потеряли ориентиры и оказались в ловушке среди горных склонов.

Четыре дня они провели на морозе, прежде чем спасатели смогли добраться до них.

Герр выжил, но получил тяжелейшие обморожения. В течение последующих месяцев врачи пытались сохранить повреждённые конечности. В конечном счёте из-за угрозы осложнений обе ноги пришлось ампутировать ниже колен.

Для человека, посвятившего юность скалолазанию, это означало потерю не только привычной подвижности, но и самой возможности заниматься любимым делом.

Однако дальнейшие события развивались совсем не так, как можно было ожидать.

Протезы позволяли ходить, но не возвращали прежнюю жизнь

В начале 1980-х годов протезирование нижних конечностей оставалось преимущественно механической дисциплиной.

Основная задача заключалась в том, чтобы обеспечить устойчивость, перенос веса тела и возможность передвигаться по относительно ровной поверхности.

Современных компактных электродвигателей, интеллектуальных систем управления и адаптивных алгоритмов в массовом протезировании ещё не существовало.

Первые протезы Герра были временными конструкциями с гипсовыми приёмными гильзами — элементами, которые соединяют искусственную конечность с оставшейся частью ноги.

Они были настолько непрочными, что врачи предупреждали: ходить без костылей или дополнительной опоры опасно, поскольку гипсовые детали могли разрушиться под нагрузкой.

Позднее Герр получил более функциональные протезы. Они позволяли ему передвигаться, но совершенно не подходили для скалолазания.

На вертикальной скале требования к ноге принципиально отличаются от обычной ходьбы.

Альпинист должен удерживать вес тела на крошечном выступе, точно ставить стопу, переносить нагрузку под необычными углами и сохранять равновесие там, где практически нет горизонтальной опоры.

Обычные протезы для этого не предназначались.

Перед Герром возник вопрос: почему человек должен подстраивать свои возможности под конструкцию протеза, а не наоборот?

Он начал создавать ноги специально для скал

Герр не имел полноценного инженерного образования. Зато ещё в школе он освоил работу на металлообрабатывающем оборудовании.

Эти навыки оказались решающими.

Он начал самостоятельно изготавливать и модифицировать искусственные конечности, экспериментируя с материалами, геометрией опор и распределением механической нагрузки.

Для разных условий требовались разные решения.

Для скалолазания Герр создавал узкие опорные элементы, позволявшие удерживаться на выступах шириной с монету.

Для ледовых восхождений использовал специальные приспособления, способные цепляться за ледяную поверхность.

Он экспериментировал даже с длиной искусственных ног, изменяя собственный рост в зависимости от требований маршрута.

Здесь обнаружилось обстоятельство, которое заставило его иначе взглянуть на природу человеческих возможностей.

Примерно через год после ампутации Герр смог проходить более сложные маршруты, чем до несчастного случая.

В некоторых условиях специализированные искусственные опоры давали преимущества, которых не могли обеспечить обычные человеческие стопы.

Разумеется, это не означало, что протезирование в целом стало лучше естественных конечностей. Конструкции были оптимизированы под конкретные движения и совершенно не обязательно подходили для повседневной жизни.

Иногда лучшим решением оказывается совершенно другая конструкция.

От самодельных протезов к инженерии человеческого движения

Опыт скалолазания постепенно изменил профессиональные интересы Герра.

Он вернулся к систематическому образованию, изучал физику, машиностроение и биофизику. Впоследствии его работа оказалась связана с MIT, где он возглавил исследовательскую группу биомехатроники.

Биомехатроника объединяет биомеханику, электронику, робототехнику и физиологию, чтобы создавать устройства, способные взаимодействовать с человеческим телом.

Центральная проблема заключалась уже не только в форме протеза.

Человеческая стопа при ходьбе не просто принимает вес тела. Голеностопный сустав и мышцы голени активно участвуют в отталкивании от поверхности, передавая механическую энергию и помогая продвигать тело вперёд.

Обычный пассивный протез способен накапливать часть энергии за счёт упругой деформации материалов и затем возвращать её.

Но он не воспроизводит полноценную активную работу мышц.

Команда Герра поставила другую задачу: создать искусственный голеностопный сустав, который сможет сам генерировать механическое усилие в нужный момент шага.

В 2007 году MIT публично представил разработанный исследовательской группой роботизированный протез стопы и голеностопного сустава.

В конструкции использовались пружины, электродвигатель, аккумулятор и электронная система управления.

Устройство не просто поддерживало человека. Оно помогало ему отталкиваться от земли, приближая механику ходьбы к естественной.

Одним из первых публичных демонстраторов стал Гарт Стюарт (Garth Stewart), американский военнослужащий, потерявший часть ноги в Ираке.

Так исследование, выросшее из личной потребности альпиниста, превратилось в технологию, предназначенную для других пациентов.

Позднее разработки этого направления легли в основу коммерческих бионических протезов голеностопного сустава.

Следующий вопрос: может ли человек чувствовать искусственную ногу?

По мере совершенствования электродвигателей, датчиков и алгоритмов возникла новая проблема.

Даже очень сложный протез не обязательно воспринимается нервной системой как часть собственного тела.

У обычной ноги существует непрерывная обратная связь между мышцами, сухожилиями, суставами и мозгом.

Человеку не нужно постоянно смотреть на стопу, чтобы понимать, где она находится и как движется.

Эта способность называется проприоцепцией — ощущением положения и движения частей собственного тела.

При традиционной ампутации часть мышечных взаимодействий нарушается. В результате мозг теряет значительную долю привычных сигналов, необходимых для точного управления движением.

Поэтому исследователи MIT и их коллеги из Brigham and Women’s Hospital начали разрабатывать подход, в котором совершенствуется не только протез, но и способ хирургического формирования оставшейся части конечности.

Один из результатов этой работы — метод AMI (Agonist-Antagonist Myoneural Interface).

Его принцип заключается в сохранении или восстановлении функциональной связи между парами мышц, которые при естественном движении работают согласованно: одна сокращается, другая растягивается.

Такое взаимодействие помогает нервной системе получать информацию о движении.

Электрические сигналы мышц используются для управления бионическим протезом, а сохранённые мышечные связи поддерживают естественную сенсорную обратную связь.

В июле 2024 года исследователи MIT опубликовали в Nature Medicine результаты исследования, сравнившего семь пациентов после операции AMI с семью пациентами после традиционной ампутации ниже колена.

Все участники использовали бионический протез одного типа.

Однако люди с AMI могли быстрее ходить, естественнее преодолевать препятствия, подниматься по лестнице и адаптировать движения к особенностям поверхности.

Особенно показательно, что различия наблюдались не просто благодаря более совершенному устройству: тип протеза был одинаковым, а ключевое отличие заключалось в организации взаимодействия мышц и нервной системы.

Это принципиально меняет саму постановку задачи.

Вместо создания всё более автономного робота исследователи стремятся вернуть человеку непосредственный контроль над искусственной конечностью.

Вместе с тем результаты пока получены на небольшой группе участников. Для оценки долгосрочной эффективности, безопасности, воспроизводимости и доступности технологии необходимы дальнейшие исследования.

Почему эта история важна сегодня

14 октября отмечается AHPs Day — День специалистов смежных медицинских профессий. В Великобритании эта инициатива появилась в 2018 году и впоследствии получила международное распространение.

Среди профессиональных групп, которым посвящён этот день, — протезисты и ортезисты.

Протезисты занимаются подбором, изготовлением, настройкой и сопровождением искусственных конечностей. Ортезисты разрабатывают и подбирают устройства, поддерживающие или корректирующие работу сохранившихся частей опорно-двигательной системы.

Именно работа этих специалистов соединяет технологические возможности с конкретными потребностями человека.

История Хью Герра показывает, почему такое соединение необходимо.

Даже самый совершенный протез нельзя оценивать исключительно по мощности двигателя, количеству датчиков или сложности алгоритма.

Он должен соответствовать анатомии человека, характеру его движений, состоянию тканей, уровню физической активности и реальным жизненным задачам.

Для одного пациента главным результатом станет возможность безопасно передвигаться по квартире.

Для другого — самостоятельный подъём по лестнице.

Для третьего — возвращение к профессиональной деятельности или спорту.

При этом современные бионические устройства остаются сложными медицинскими технологиями.

Их применение ограничивают стоимость, необходимость индивидуальной настройки, технического обслуживания, масса конструкции, энергоснабжение и особенности взаимодействия протеза с тканями тела.

Не менее существенны доступность реабилитации, квалификация специалистов и правила возмещения расходов в конкретной системе здравоохранения.

Поэтому прогресс в протезировании определяется не только лабораторными разработками.

Он зависит от сотрудничества инженеров, хирургов, специалистов по реабилитации, протезистов, производителей медицинских изделий и организаций, оплачивающих лечение.

Для индустрии медицинских технологий здесь прослеживается важная закономерность.

Разработка становится действительно полезной не в момент технической демонстрации, а тогда, когда её функциональные преимущества подтверждаются в исследованиях, устройство можно надёжно адаптировать под пациента и оно становится доступным в реальной клинической практике.

История Герра также заставляет иначе взглянуть на роль самого пациента.

Пациент не всегда является только получателем медицинской технологии. Его собственный опыт может выявить ограничения существующих решений, которые разработчики прежде не замечали.

В случае Герра именно желание снова подниматься по скалам стало отправной точкой инженерных поисков, позднее повлиявших на значительно более широкую область реабилитационной медицины.