Bertolt Meyer stáhne levé předloktí a dá mi ho. Je hladká a černá a ruka má průhledný silikonový kryt, jako je pouzdro pro iPhone. Pod gumovou kůží jsou kostrové robotické prsty takového druhu, jaké byste mohli vidět ve sci-fi filmu - „skvělý faktor“, říká Meyer.
Z tohoto příběhu
[×] ZAVŘÍT
Bionický muž má umělé srdce schopné pumpovat 2, 5 galonu krve za minutu.
Video: Prozkoumejte Million Dollar Man
[×] ZAVŘÍT
Jedním z posledních kroků při vytváření bionického muže je připevnění nohou a přivedení jedné nohy před druhou.
Video: Jak naučit robota chodit
[×] ZAVŘÍT
Inženýři vytvořili „robota“ zvaného Bionic Man - pomocí protetických končetin a umělých orgánů v hodnotě 1 milionu dolarů - aby předvedli, kolik lidského těla lze nyní přestavět kovem, plastem a obvody. (James Cheadle) 
Nejdříve známé umělé končetiny byly použity v Egyptě před asi 3 000 lety. (Kenneth Garrett / National Geographic Stock) 
Teprve nedávno jsme začali vidět exponenciální pokroky v protetice, jako je ruka i-končetiny, nošená sociálním psychologem Bertoltem Meyerem, který dokáže převést jeho svalové signály do několika úchopů. (Gavin Rodgers / Rex / AP obrázky) 
Bionic Man stojí 6 stop vysoký 6 palců a zahrnuje umělou slinivku, ledviny a slezinu. (James Cheadle) 
Bertolt Meyer stojí tváří v tvář Bionic Manu. Meyerova tvář byla použita jako základna pro robota. (Fotoaparát / James Veysey / Redux) 
Hugh Herr, který při horolezectví v roce 1982 přišel o omrzliny, vymyslel několik špičkových protetik, včetně umělého kotníku BiOM. Osobně používá osm různých protetických nohou speciálně určených pro činnosti, které zahrnují běh, plavání a lezení na ledě. (Simon Bruty / Ilustrované sporty / Getty Images) 
FOTOGALERIE
Související obsah
- Uvidíme někdy Bionického zimního olympionika?
Držím ruku v ruce. "Je to docela lehké, " říkám. "Ano, jen pár kilo, " odpoví.
Snažím se nedívat na pařez, kde by měla být jeho paže. Meyer vysvětluje, jak funguje jeho protetická končetina. Zařízení je drženo sáním. Silikonové pouzdro na pařezu pomáhá utěsnit kolem končetiny. "Musí to být pohodlné a útulné zároveň, " říká.
"Mohu se toho dotknout?" Zeptám se. "Jděte do toho, " říká. Procházím rukou po lepkavém silikonu a pomáhá to rozptýlit mé znepokojení - pařez může vypadat divně, ale paže se cítí silná a zdravá.
Meyer, 33, je mírně postavený a má tmavé rysy a přátelskou tvář. Rodák z Hamburku v Německu, nyní žijící ve Švýcarsku, se narodil s pouhou asi centimetrem paže pod levým loktem. On nosil protetické končetiny on a off, protože on byl starý 3 měsíce. První byl pasivní, jen aby si jeho mladá mysl zvykla, že má na svém těle něco cizího. Když mu bylo 5 let, dostal háček, který ovládal postrojem přes ramena. Neměl to moc, dokud se nepřipojil ke skautům, když mu bylo 12 let. „Nevýhodou je, že je nesmírně nepohodlné, protože jste vždy na postroji, “ říká.
Tato poslední iterace je bionická ruka, přičemž každý prst je poháněn vlastním motorem. Uvnitř tvarovaného předloktí jsou dvě elektrody, které reagují na svalové signály v reziduální končetině: Odeslání signálu na jednu elektrodu otevře ruku a na druhou ji uzavře. Aktivace obou umožňuje Meyerovi otáčet zápěstí o 360 stupňů. "Metafora, kterou k tomu používám, je naučit se, jak paralelně zaparkovat vaše auto, " říká a otevírá svou ruku bzučením. Zpočátku je to trochu složitější, ale ty to pochopíš.
Touch Bionics, tvůrce tohoto mechanického zázraku, to nazývá i-limb. Název představuje více než marketing. Vylepšený software, baterie s delší životností a menší, energeticky účinnější mikroprocesory - technologie vedoucí k revoluci v osobní elektronice - zavedly novou éru bioniky. Kromě protetických končetin, které jsou všestrannější a uživatelsky přívětivější než kdy předtím, vyvinuli vědci funkční prototypy umělých orgánů, které mohou nahradit něčí slezinu, slinivku břišní nebo plíce. A experimentální implantát, který propojuje mozek s počítačem, slibuje, že quadriplegici budou moci ovládat umělé končetiny. Takové bionické zázraky si stále více najdou cestu do našich životů a našich těl. Nikdy jsme nebyli tak nahrazení.
Potkal jsem Meyera v letním dni v Londýně, na nádvoří továrny na výrobu sušenek z 19. století. Meyer je sociálním psychologem na univerzitě v Curychu, ale jeho osobní zkušenosti s protetikou v něm vyvolaly fascinaci bionickou technologií. Říká, že za posledních pět let došlo k explozi inovací. Když jsme si povídali o kávě, inženýři pracovali na nové demonstraci v nedaleké budově. Během několika posledních měsíců shromáždili protetické končetiny a umělé orgány z celého světa, aby se shromáždili do jediné umělé struktury jménem Bionic Man. Můžete vidět překvapivé výsledky v dokumentárním vysílání 20. října na Smithsonian Channel.
Inženýři navrhli Bionic Mana, aby umožnil fungování několika jeho částí závislých na lidech bez těla. Například, i když je robot vybaven i-končetinami, nemá nervový systém nebo mozek, aby je mohl fungovat. Místo toho lze Bionic Man ovládat na dálku pomocí počítače a speciálně navrženého rozhraní hardwaru, zatímco připojení Bluetooth lze použít k ovládání i-končetin. Robot nicméně živě ukazuje, kolik z našich těl lze nahradit obvody, plasty a kovy. Kromě dramatického efektu je Bionicův obličej silikonovou replikou Meyerovy.
Rich Walker, ředitel projektu, říká, že jeho tým dokázal znovu vybudovat více než 50 procent lidského těla. Úroveň pokroku v bionice překvapila nejen něj, ale „i vědce, kteří pracovali na umělých orgánech, “ říká. Přestože několik umělých orgánů zatím nemůže fungovat společně v jednom lidském těle, scénář se stal natolik realistickým, že bioetici, teologové a další se potýkají s otázkou: Kolik lidské bytosti lze nahradit a stále považovat za člověka? Pro mnohé je kritériem to, zda zařízení zvyšuje nebo narušuje schopnost pacienta komunikovat s jinými lidmi. Existuje například široká shoda v tom, že technologie, která obnovuje motorické funkce oběti mrtvice nebo poskytuje zrak nevidomým, neznamená, že je člověk méně lidský. Ale co technologie, která by jednoho dne mohla přeměnit mozek v poloorganický superpočítač? Nebo dejte lidem smysly, které vnímají vlnové délky světla, frekvence zvuků a dokonce i druhy energie, které jsou za normálních okolností mimo náš dosah? Tito lidé by již nemohli být označeni za přísně „lidské“, bez ohledu na to, zda taková vylepšení představují zlepšení oproti původnímu modelu.
Tyto velké otázky se zdají být daleko, když jsem poprvé viděl inženýry pracovat na Bionic Man. Je to stále anonymní sbírka nerozebraných částí. Přesto paže a nohy položené na dlouhém černém stole jasně evokují lidskou podobu.
Sám Meyer mluví k této kvalitě a popisuje svou končetinu jako první protetiku, kterou použil, přičemž estetika odpovídá inženýrství. Opravdu se cítí jako jeho součást, říká.
David Gow, skotský inženýr, který vytvořil i-končetinu, říká, že jedním z nejvýznamnějších úspěchů v oblasti protetiky bylo, že se amputovaní cítili znovu jako celek, a už se nemusíte stydět s umělou končetinou. "Pacienti s tím vlastně chtějí potřást rukou, " říká.
Gow, 56, byl dlouho fascinován výzvou navrhování protetik. Poté, co krátce pracoval v obranném průmyslu, se stal inženýrem ve státní výzkumné nemocnici, která se pokoušela vyvinout elektricky poháněné protetiky. Měl jeden ze svých prvních průlomů a pokusil se přijít na to, jak navrhnout ruku dostatečně malou pro děti. Namísto použití jednoho centrálního motoru, standardního přístupu, včlenil menší motory do palce a prstů. Inovace snížila velikost ruky a připravila cestu pro kloubové číslice.
Tento modulární design se později stal základem i-limb: Každý prst je poháněn 0, 4-palcovým motorem, který se automaticky vypne, když senzory indikují dostatečný tlak na cokoli, co je drženo. Nejen, že to brání drcení ruky, řekněme, pěnové pohárky, ale umožňuje také různé úchopy. Když jsou prsty a palec sklopeny dohromady, vytvářejí „přilnavost“ pro přenášení velkých předmětů. Další úchop je vytvořen uzavřením palce na straně ukazováčku, což uživateli umožňuje držet talíř nebo (otáčet zápěstí) otočit klíčem v zámku. Technik nebo uživatel může naprogramovat malý počítač i-limb s nabídkou přednastavených gripových konfigurací, z nichž každá je spouštěna specifickým pohybem svalů, který vyžaduje rozsáhlé školení a trénink, aby se naučil. Nejnovější iterace i-limb, která byla vydána letos v dubnu, jde o krok dále: Aplikace načtená do iPhone umožňuje uživatelům přístup k nabídce 24 různých přednastavených úchopů jediným stisknutím tlačítka.
Pro Hugha Herra, biofyzika a inženýra, který je ředitelem skupiny biomechatroniky v Massachusetts Institute of Technology Media Media, se protetika zlepšuje tak rychle, že předpovídá, že postižení bude do konce 21. století do značné míry odstraněno. Pokud ano, nebude to díky malíkovi samotnému. Bylo mu 17 let, když byl v roce 1982 chycen ve vánici, když v lezení na New Hampshire Mount Mount Washington byl zachráněn. Po třech a půl dnech byl zachráněn, ale do té doby si omrzlina vybrala svou daň a chirurgové museli amputovat oba své nohy pod koleny. Byl odhodlaný znovu se vyšplhat na hory, ale základní protetické nohy, které mu byly vybaveny, byly schopné pouze pomalé chůze. Herr si proto navrhl vlastní nohy a optimalizoval je tak, aby udržovaly rovnováhu na horských římsech tak úzkých jako desetník. O více než 30 let později drží nebo spoluvlastní více než tucet patentů souvisejících s protetickými technologiemi, včetně počítačově řízeného umělého kolena, které se automaticky přizpůsobuje různým rychlostem chůze.
Herr osobně používá osm různých druhů specializovaných protetických nohou určených pro činnosti, které zahrnují běh, lezení na ledu a plavání. Je velmi obtížné, jak říká, navrhnout jednu protetickou končetinu „dělat mnoho úkolů i lidské tělo“. Věří však, že protéza schopná „chůze i běhu, která působí na úrovni lidské nohy“ je jen jednu nebo dvě dekády.
***
Nejstarší známá protetika byla použita před asi 3 000 lety v Egyptě, kde archeologové objevili vyřezávanou dřevěnou špičku připevněnou k kusu kůže, kterou bylo možné připevnit na nohu. Funkční mechanické končetiny se objevily až v 16. století, kdy francouzský chirurg na bojišti jménem Ambroise Paré vynalezl ruku s pružnými prsty ovládanými západkami a pružinami. Postavil také nohu s mechanickým kolenem, kterou mohl uživatel uzamknout na místě, když stál. Ale takové zálohy byly výjimkou. V průběhu většiny lidských dějin člověk, který ztratil končetinu, podlehl infekci a zemřel. Osoba narozená bez končetiny byla obvykle vyhýbána.
Ve Spojených státech byla rozšířena široké využití protetiky v době občanské války. Amputace roztříštěné paže nebo nohy byla nejlepším způsobem, jak zabránit gangréně, a to trvalo jen několik minut praktikovaného chirurga, který podával chloroform, odřízl končetinu a zavřel chlopeň. Sever a jih byly provedeny přibližně 60 000 amputací s 75% mírou přežití. Po válce, kdy poptávka po protetice prudce stoupla, vstoupila vláda a poskytla veteránům peníze na zaplacení nových končetin. Následující války vedly k dalšímu pokroku. V první světové válce se v Německu konalo 67 000 amputací a lékaři tam vyvinuli nové zbraně, které umožnily veteránům vrátit se k ruční práci a tovární práci. Po druhé světové válce se do umělých končetin dostaly nové materiály, jako jsou plasty a titan. "Hlavní inovace můžete najít po každém období války a konfliktu, " říká Herr.
Války v Iráku a Afghánistánu nejsou výjimkou. Od roku 2006 Agentura pro obranný výzkum (Advanced Research Projects Agency) vložila do protetického výzkumu zhruba 144 milionů dolarů, aby pomohla odhadovaným 1 800 americkým vojákům, kteří utrpěli traumatickou ztrátu končetin.
Část této investice byla věnována Herrově nejvýznamnějšímu vynálezu, bionickému kotníku určenému pro lidi, kteří ztratili jednu nebo obě nohy pod koleny. Známý jako BiOM a prodávaný společností Herr's iWalk (v dnešní době je kolem protetického průmyslu spousta malých písmen „i“), zařízení - vybavené senzory, více mikroprocesory a baterií - pohání uživatele vpřed s každým krokem, což pomáhá Amputanti získávají ztracenou energii, když chodí. Roy Aaron, profesor ortopedické chirurgie na Brownově univerzitě a ředitel Centra restorativní a regenerativní medicíny Brown / VA, říká, že lidé, kteří používají BiOM, ho srovnávají s procházením po pohyblivém chodníku na letišti.
Herr předvídá budoucnost, ve které mohou být protetiky, jako je BiOM, sloučeny s lidským tělem. Amputees, kteří někdy musí snášet tření a boláky při nošení jejich zařízení by jednoho dne mohli být schopni připojit jejich umělé končetiny přímo k jejich kosti titanovou tyčí.
Michael McLoughlin, přední vývojový pracovník pokročilé protetiky na Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, chce také vidět bionické údy, které jsou více integrovány do lidského těla. Modulární protetická končetina (MPL), umělý mechanismus ruky a ruky, který byl vytvořen laboratoří Johns Hopkins, má 26 kloubů ovládaných 17 samostatnými motory a „dokáže dělat téměř všechno, co normální končetina dokáže, “ říká McLoughlin. Sofistikované pohyby MPL jsou však omezeny úrovní dostupné technologie pro propojení s nervovým systémem těla. (Je to srovnatelné s vlastnictvím špičkového osobního počítače, který je spojen s pomalým připojením k internetu.) Co je potřeba, je způsob, jak zvýšit tok dat - možná vytvořením přímého uplinku do samotného mozku.
V dubnu 2011 dosáhli vědci v Brownu právě toho, že když robotickou paži připojili přímo do mysli Cathy Hutchinson, 58leté kvadriplegiky, která nedokáže pohnout rukama a nohama. Výsledky zachycené na videu jsou ohromující: Cathy může zvednout láhev a zvednout ji k ústům, aby vypila.
Tento čin byl umožněn, když neurochirurgové vytvořili malou díru v Cathyho lebce a implantovali do její motorické kůry senzor dětského aspirinu, který řídí pohyby těla. Na vnější straně senzoru je 96 vlasových elektrod, které mohou detekovat elektrické signály emitované neurony. Když člověk přemýšlí o provedení konkrétního fyzického úkolu - například zvednutí levé paže nebo popadnutí láhve pravou rukou - neurony vyzařují zřetelný vzor elektrických pulzů spojených s tímto pohybem. V Hutchinsonově případě ji neurovědci nejprve požádali, aby si představili řadu pohybů těla; s každým duševním úsilím elektrody implantované do jejího mozku zachytily elektrický vzor generovaný neurony a přenesly jej kabelem na externí počítač poblíž jejího invalidního vozíku. Vědci dále přeložili každý vzor do příkazového kódu robotické paže namontované na počítači, což jí umožnilo ovládat mechanickou ruku svou myslí. "Celá studie je ztělesněna v jednom rámci videa, a to je Cathyho úsměv, když odloží láhev, " říká Brown neurovědec John Donoghue, který řídí výzkumný program.
Donoghue doufá, že tato studie nakonec umožní mozku vytvořit přímé rozhraní s bionickými údy. Dalším cílem je vyvinout implantát, který dokáže bezdrátově zaznamenávat a přenášet data. Tím by se odstranila šňůra, která v současné době spojuje mozek s počítačem, což by umožnilo mobilitu uživatele a snížilo by riziko infekce, která je výsledkem drátů procházejících kůží.
Asi nejtěžší výzvou, které musí vynálezci umělých orgánů čelit, je obranný systém těla. "Pokud něco vložíte, imunitní systém celého těla se ho pokusí izolovat, " říká Joan Taylor, profesorka farmacie na De Montfort University v Anglii, která vyvíjí umělou slinivku. Její důmyslné zařízení neobsahuje žádné obvody, baterie ani pohyblivé části. Místo toho je rezervoár inzulínu regulován jedinečnou gelovou bariérou, kterou vynalezl Taylor. Když se hladiny glukózy zvýší, nadbytek glukózy v tělních tkáních napustí gel a způsobí změkčení a uvolnění inzulínu. Poté, jak hladina glukózy klesá, gel znovu ztvrdne a snižuje uvolňování inzulínu. Umělá slinivka, která by byla implantována mezi nejnižší žebro a kyčle, je spojena dvěma tenkými katétry s portem, který leží těsně pod povrchem kůže. Každých několik týdnů by se zásobník inzulínu doplňoval pomocí a
stříkačka, která se vejde do portu.
Výzvou je, když Taylor testoval zařízení u prasat, imunitní systém zvířat reagoval vytvořením jizvové tkáně známé jako adheze. „Jsou jako lepidlo na vnitřních orgánech, “ říká Taylor, „způsobuje zúžení, které může být bolestivé a může vést k vážným problémům.“ Přesto je cukrovka tak rozšířeným problémem - že je postiženo až 26 milionů Američanů - že Taylor testuje umělé slinivky břišní u zvířat s okem k vyřešení problému s odmítnutím před zahájením klinických zkoušek s lidmi.
Pro některé výrobce umělých orgánů je hlavním problémem krev. Když narazí na něco cizího, srazí se. Je to zvláštní překážka při vytváření účinných umělých plic, které musí procházet krví malými syntetickými zkumavkami. Taylor a další vědci spolupracují s biomateriálovými specialisty a chirurgy, kteří vyvíjejí nové povlaky a techniky pro zlepšení přijímání cizího materiálu tělem. "Myslím, že s více zkušenostmi a odbornou pomocí to bude možné, " říká. Ale než Taylor může pokračovat ve svém výzkumu, říká, že musí najít partnera, který poskytne více finančních prostředků.
A soukromí investoři mohou přijít jen těžko, protože dosažení technologických průlomů, díky nimž bude vynález rentabilní, může trvat roky. Společnost SynCardia Systems, společnost Arizona, která vyrábí zařízení pro umělé srdce, schopná čerpat až 2, 5 galonů krve za minutu, byla založena v roce 2001, ale až do roku 2011 nebyla v černé barvě. Nedávno vyvinula přenosný kompresor poháněný baterií o hmotnosti pouze 13, 5 libry, které umožňují pacientovi opustit hranice nemocnice. FDA schválila syntetické srdce SynCardia Total Artificial Heart pro pacienty s biventrikulárním selháním v konečném stadiu, kteří čekají na transplantaci srdce.
Výrobci bionických paží a nohou také bojují s finanční bitvou do kopce. "Máte špičkový produkt s malým trhem a to ho činí náročným, " říká McLoughlin. „Není to jako investovat do Facebooku nebo Google; nebudete investovat do protézních končetin. “Mezitím by se vládní peníze na pokročilé protetiky mohly v nadcházejících letech zpřísnit. "Jak se válka ukončí, financování tohoto výzkumu bude klesat, " předpovídá ortopedický chirurg Roy Aaron.
Pak jsou náklady na nákup protetické končetiny nebo umělého orgánu. Nedávná studie zveřejněná Worcesterským polytechnickým institutem zjistila, že robotické protézy horní končetiny stojí 20 000 až 120 000 USD. Ačkoli některé soukromé pojišťovny pokryjí 50 až 80 procent poplatku, jiné mají platební limity nebo pokrývají pouze jedno zařízení za života pacienta. Pojišťovny jsou také známy otázkou, zda nejpokročilejší protetika je „lékařsky nezbytná“.
Herr věří, že poskytovatelé pojištění musí radikálně přehodnotit své analýzy nákladů a přínosů. Ačkoli nejnovější bionická protetika je dražší na jednotku než méně složitá zařízení, tvrdí, snižují však výplaty za zdravotní péči po celou dobu života pacienta. "Když amputace nohou používají protézy s nízkými technologiemi, vyvinou se kloubní stavy, artritida kolene, artritida kyčle a jsou na kontinuální léčbě bolesti, " říká Herr. "Nechodí tak moc, protože chůze je obtížná a způsobuje kardiovaskulární onemocnění a obezitu."
Jiné trendy však naznačují, že umělé končetiny a orgány se mohou nadále zlepšovat a stát se dostupnějšími. V rozvinutém světě lidé žijí déle než kdy jindy a stále více čelí selhání jedné nebo druhé části těla. Nejčastější příčinou amputace dolních končetin ve Spojených státech není válka, ale cukrovka, která v pozdějších stádiích - zejména mezi staršími - může bránit oběhu na končetinách. Kromě toho se Donoghue domnívá, že mozkové a protetické rozhraní, na kterém pracuje, by mohlo být použito pacienty s cévní mozkovou příhodou a lidmi s neurodegenerativními chorobami, aby pomohlo obnovit určitý stupeň normality jejich života. „Ještě tam nejsme, “ připouští Donoghue a dodává: „Přijde čas, kdy má člověk mozkovou mrtvici, a pokud ji nemůžeme biologicky opravit, bude možné získat technologii, která přemění jejich mozek. . “
Většina z těchto technologií je stále ještě dlouhá léta, ale pokud bude mít někdo užitek, bude to Patrick Kane, mluvný patnáctiletý muž s robustními brýlemi a vlnitými blond vlasy. Krátce po narození ho zasáhla masivní infekce, která donutila doktory odstranit levou paži a část pravé nohy pod kolenem. Kane je jedním z nejmladších osob, které mají protetiku i-končetiny, jakou mi ukázal Meyer.
To, co se Kane nejvíc líbí, je způsob, jakým se cítí. "Dříve jsem vypadal, že jsem byl" Oh, co se s ním stalo? " Chudák, „něco, “ říká, když sedíme v londýnské kavárně. "Teď je to 'Ooh?" Co je to? To je v pohodě! “„ Jako by na starosti, starší muž u příštího stolu zazvonil: „Musím ti něco říct, vypadá to úžasně. Je to jako Batmanova paže! “Kane předvede mužovi ukázku. Taková technologie je o změně způsobu, jakým ho lidé vidí, stejně jako o změně toho, co může dělat.
Zeptám se Kane na některé z předstihových pokroků, které by mu mohly být k dispozici v nadcházejících desetiletích. Chtěl by končetinu, která byla připevněna k jeho kosterní soustavě? Spíš ne. "Líbí se mi myšlenka, že to můžu sundat a být znovu mnou, " říká. A co protetická ruka, která by se mohla přímo dotknout jeho mozku? "Myslím, že by to bylo velmi zajímavé, " říká. Ale bál by se, že se něco pokazí.
V závislosti na tom, co se bude dít dál, může být Kaneova budoucnost plná technologických zázraků - nových rukou a nohou, které ho přiblíží k schopnostem takzvaného zdatného člověka. Nebo pokrok nemusí přijít tak rychle. Když se dívám na něj, jak šel přes silnici k autobusové zastávce, zdá se mi, že bude v pořádku v obou směrech.
