Сироткина И.Е.
Россия – родина киборга? О создании в СССР биоуправляемого протеза
История науки и техники. Музейное дело. Периодическая таблица технологий: человеческий фактор. Материалы Международной научно-практической конференции. 3-5 декабря 2019 г. М.: Политехн. музей, 2020. С. 322-330.
Трудно сказать, где, в какой стране появился первый киборг (сокращенное «кибернетический организм») – живое существо, достроенное техникой, в котором органическое и механическое или электронное сращены воедино. Однако достоверно известно, что первый биоуправляемый протез руки, запущенный в массовое производство, появился в СССР [1, с. 78-80]. Произошло это во второй половине 1950-х годов, когда вместе с политической оттепелью в страну стали проникать идеи и практики новой научно-технической дисциплины – кибернетики. Одна из главных идей этой науки об управлении в живых и неживых системах – принцип обратных связей. Так называемое биоуправление и есть управление техническим устройством с помощью тех или иных сигналов живого организма (то есть управление непроизвольное, происходящее помимо сознания). Таким образом достигается сращивание организма и механизма, прямое подключение неживого к живому и наоборот. Примеры такого сращивания – человек с кардиостимулятором (аппарат, реагирующий на характер сокращений сердечной мышцы), пациент на аппарате искусственной вентиляции легких (куд поступает сигнализация от дыхательной мускулатуры), протез конечности, управляемый сигналами скелетных мышц.
Первые «киборги», или системы «человек–машина», реализовывали принцип автоматического управления на обратных связях, или сервопривода. Обратные связи, в данном случае, это сигналы от разного рода мышц, точнее, такие характеристики возбуждения мышцы, как мгновенное значение мощности биопотенциалов. Снимать эти сигналы стало возможно благодаря успехам электромиографии и, в частности. Преобразованию едва уловимых электрических потенциалов от тканей и органов в исчислимые, выражаемые цифрой сигналы [2]. В наше время биоуправляемые протезы, прототипы самодвижущихся устройств и робототехника в целом продвинулись до невиданного уровня, о котором в середине ХХ века нельзя было и мечтать. Но не будем забывать, с чего всё начиналось шесть или семь десятилетий тому назад.
Первые «киборги», или системы «человек–машина», реализовывали принцип автоматического управления на обратных связях, или сервопривода. Обратные связи, в данном случае, это сигналы от разного рода мышц, точнее, такие характеристики возбуждения мышцы, как мгновенное значение мощности биопотенциалов. Снимать эти сигналы стало возможно благодаря успехам электромиографии и, в частности. Преобразованию едва уловимых электрических потенциалов от тканей и органов в исчислимые, выражаемые цифрой сигналы [2]. В наше время биоуправляемые протезы, прототипы самодвижущихся устройств и робототехника в целом продвинулись до невиданного уровня, о котором в середине ХХ века нельзя было и мечтать. Но не будем забывать, с чего всё начиналось шесть или семь десятилетий тому назад.
Рис. 1 и 2. Биопротез: (1) иллюстрация из кн. В. С. Гурфинкеля с соавт. [3] и (2) фотография из фондов Политехнического музея.
Здесь следует оговориться: кибернетика не просто пришла в нашу страну как импорт с Запада. Почва для нее была прекрасно подготовлена отечественными учеными, математиками и физиологами. Известно, что и на Западе в создании кибернетики вместе с математиком Норбертом Винером участвовал физиолог Артуро Розенблют. Николай Александрович Бернштейн (1896-1966) – советский физиолог с фундаментальной математической подготовкой – был одним из создателей кибернетики в нашей стране еще до появляения самого термина, avant la lettre. Всю жизнь посвятивший изучению живого движения, Бернштейн обладал всеми знаниями для того, чтобы консультировать проект по созданию биоуправляемой руки. Он высоко оценил эти разработки: «В основу управления этим протезом положена идея, никогда до этого не применявшаяся ни в нашем Союзе, ни за рубежом. Это – идея, замечательная по своей глубокой физиологической обоснованности и позволившая реально поставить на службу увечным могучие ресурсы современной электроники» [3, c. 56]. Бернштейн имел в виду использование для управления техническим устройством, каким является протез, биопотенциалов скелетных мышц, и связанные с этим разработки.
Рис. 3. Н. А. Бернштейн готовится к циклосъемке спортивных движений в Институте физкультуры. Москва, ок. 1947 г.
Попытки использовать биопотенциалы скелетных мышц как командные сигналы предпринимались в медицине уже в 1940-х годах. Речь шла об управлении устройствами лечебного назначения – протезами, аппаратами искусственного дыхания, и т.д. В 1948 году в литературе появилось сообщение, что Р. Рейтер в Мюнхене изготовил макет протеза с биоэлектрической системой управления [4]. Это было, по-видимому, первое упоминание о возможности использования биопотенциалов скелетных мышц для управления протезом. Однако оно осталось без внимания специалистов. Также не имела резонанса и опубликованная четырьмя годами позже статья американцев Бергера и Хапперта, где цитировались исследования электрической активности некоторых мышц культи плеча и высказывалось предположение, что эта активность может быть использована для включения и выключения протеза [5]. Их предложение не было реализовано. И только в 1955 году специалисты наконец обратили внимание на статью Бетти, Найтингела и Виллиса с описанием системы управления закрытием клешни рабочего протеза [6]. В сконструированном ими устройстве биопотенциалы отводились поверхностными электродами от мышц предплечья; место расположения электродов тщательно подбиралось для уменьшения взаимовлияния мышц. Усилитель включал реле, которое, в свою очередь, включало соленоид, управляющий механизмом закрытия клешни. Для удержания клешни в закрытом состоянии мышца должна быть все время активна. Чтобы уменьшить утомление мышцы и, следовательно, облегчить удержание закрытой клешни, авторы ввели в устройство зону нечувствительности, исходя из того, что развитие усилия всегда сопровождается ЭМГ большей амплитуды, чем удержание этого усилия.
Рис. 4. В.С. Гурфинкель с соавт., блок-схема биопротеза [3].
Обо всем об этом сообщали в 1972 году авторы книги «Биоэлектрическое управление» [3]. Так выглядела предыстории создания ими собственного макета биоуправляемого протеза, а потом версии, впервые в мире поставленной на поточное производство. За эту и другие работы Виктор Семенович Гурфинкель (1922–2020) с коллегами были награждены Государственной премией (1970). За свою долгую 97-летнюю жизнь Виктор Семенович также получил премии Роберта С. Доу (США) и фонда А. Гумбольдта (Германия). Другие его награды относятся к военному времени: Орден Отечественной войны II степени и медали «За оборону Советского Заполярья» (1944 г.), «За боевые заслуги» (1945 г.), «За Победу над Германией» (1945 г.). Студента медвуза Гурфинкеля призвали на фронт очень рано, и всю войну он прошел военврачом. В качестве анестезиолога он участвовал в бессчетных ампутациях. Это и привело его в протезирование, а потом – в физиологию двигательного управления, область, где он, пожалуй, сделал очень много – возможно, больше, чем кто-либо другой на исходе ХХ века.
Рис. 5. и 6. В.С. Гурфинкель на испытаниях в своей лаборатории (1970-е гг.) и на пороге своего дома Портленде в 2012 г.
В 2012 году – год девяностолетия Виктора Семеновича – мне удалось побывать в его доме в Портленде (с конца 1990-х годов Гурфинкель работал в США). Там историю того, как был создан биоуправляемый протез, я получила из первых рук. Итак, слово Виктору Семеновичу [8]:
Когда война кончилась, я был в Заполярье, в Финляндии. Все хотели в Союз, и я тоже, но мой начальник сказал: «нет, ты будешь со мной». Нас – командную часть – послали в Варшаву. Там мой начальник стал большой шишкой, а мне делать там было нечего, но мы жили с ним вместе. И я приходил к нему на работу, спрашивал: могу ли чем-то помочь? И стал свой человек.
Однажды меня вызвал один командный чин и спросил:
– Много вам приходилось ампутировать?
– Не считал, всяко бывало.
– Время поменялось. Теперь надо не отрезать ноги, а приделывать.
– А это как?
– О, это уже другой разговор. Я вас пошлю в Шаритэ, в Берлин, и там вы научитесь.
– А зачем?
– Тут у нас много немцев, мастеров, они все гражданские, протезисты, и они умеют что-то делать, но это надо организовать.
– Но я же ничего не умею.
– Вот вы и научитесь.
И я поехал в Шаритэ. Там было протезное отделение, делали ортопедические аппараты – в том числе, Рузвельту. Пробыл там три недели – приходит телеграмма: хватит учиться, приезжай. И я вернулся и организовал немцев.
Эти немцы были очень профессиональные люди. Я мог получать для них военные пайки – тогда это было главное. Немцы работали очень хорошо, потому что я им не мешал. Они знали, что делать, и народ был приятный. Мы перебрались в Лодзь – там был большой госпиталь, в котором были ампутированные. Немцев поселили в один дом, и утром их провожали солдаты на работу, главным образом потому, что по дороге их могли избить или оскорбить. Я тоже жил в этом доме, и у нас были очень добрые, теплые отношения. Потом была конференция тыла, и мой начальник решил, что надо что-то показать. Мы показали больного, у которого не было двух ног и руки. Стояла ширма, за ней – кровать, на которой он лежал в белье. Ширму закрыли, а через десять минут открыли снова – и больной стал прохаживаться, с руками и ногами и в форме. Рокоссовский, пересевший в первый ряд, встал и начал аплодировать.
Потом приехали из Москвы, посмотрели, как это у нас все здорово сделано, и велели всё отправить в Москву. Но немцев из Польши в Москву нельзя было отправить! Я говорю начальнику:
– Всё ведь пропадет!
– Я ничего не могу...
И вот пришлось ехать в Москву. При Главном военно-медицинском управлении было Особое конструкторское бюро по протезированию. Оно было создано после войны на предмет разработки протезов для старших офицеров, ампутированных, которые остаются на службе в армии. Я считался главным врачом этого ОКБ. В конце концов, меня приняли в аспирантуру Института протезирования. Институт протезирования был создан в 1939 году – до этого протезированием занималось ЦИТО. Лаборатория физиологии и патологии движений была создана для Николая Александровича Бернштейна, она просуществовала до 1949 года. Я поступил в конце 1946 года. В лаборатории была одна женщина – его зам, потом она ушла, и так получилось, что все административные дела перешли ко мне.
Протезы надо делать так, чтобы человек мог хорошо ходить. А как люди ходят, знал только Бернштейн; у него были книжки «Биодинамика локомоций», «Исследования ходьбы, бега, прыжка». Он был одним из крупнейших специалистов по локомоциям и считал, что надо разрабатывать научные основы протезирования – иначе оно оставалось ремеслом. Но Бернштейна интересовала в основном теория движений, а я был практик. (Я не только командовал немцами, но многому у них научился и мог делать протезы сам, своими руками. Нельзя управлять людьми, если ты не понимаешь. Потом мне это пригодилось. И в ОКБ я мог делать то, что хочу.)
В последние годы в Институте протезирования я занимался кровообращением в ампутационной культе. Оказалось, что в момент, когда человек наступает на протез, в культе прекращается кровообращение, потому у ампутированных часто бывают трофические язвы на культе. Я померил кровообращение одним способом, потом другим способом. Тогда впервые появились изотопы. Я пошел на курсы, потратил четыре месяца, освоил изотопный метод и получил разрешение. Создал маленькую группу для изучения клиренса – местного кровообращения. Вот представьте, что течет река, а на берегу собрался мусор, и вода немножко этот мусор смывает, очищая берег (отсюда слово клиренс – очищение). Вы вместо мусора вводите изотоп, а кровоток его смывает. И вы изучаете, насколько уменьшается эта «куча мусора» – по радиоактивности.
Я знал, что есть очень хорошие приборы, но достать их невозможно. Взял письмо за подписью президента Академии и поехал на завод, где их выпускают. Показал директору, он сказал: я в этом ничего не понимаю, иди к главному конструктору. Главного все называли «Львович» [7]. Он спросил: «Что, диссертацию делать? А для чего?» Я объяснил. «А я могу это увидеть? Когда? – Завтра». Пришел наутро, посмотрел, ничего не сказал и ушел. Через два дня мне приносят прибор. Я говорю:
– Что вы, я не могу его взять, он стоит 100 000.
– Ничего не знаю, Львович сказал, и всё.
Это был Михаил Львович Цетлин. Его отправили по окончании физфака учителем в Читу, а он в Читу не поехал и пошел на 318-й завод контролером ОТК, а потом стал главным коструктором.
Я «Львовича» поблагодарил, а он говорит:
– У меня есть знакомый, а у него нога как карандаш со сломанным грифелем – его чинишь, а он никуда не годится. Вот ему стопу отрезали, потом голень, потом бедро. Ты можешь его посмотреть?
– Мы уже были на «ты».
Я говорю: конечно, мы вместе посмотрим.
Он привел приятеля, проверили на его новом приборе, который очень хорошо считал.
Я говорю:
– Миша, я занимаюсь электромиографией и вручную всё это делаю, а мне кажется, что эти счетчики потянут.
– Потянут. Я вам подарю.
И так мы с ним стали заниматься электромиографией и вместе с ним сделали протез руки, который управлялся электромиограммой. Мы оба решали, что нужно сделать, и он у себя на заводе это делал. Это довольно быстро все пошло, было сделано большое количество этих протезов и даже получили госпремию. На Западе ничего такого еще не было. Норберт Винер знал про этот протез и, когда был в Москве, он пришел в нашу лабораторию, а потом написал какую-то очень блестящую статью по этому поводу (я в это время был в Новосибирске и ничего об этой статье не знал).
То, что мы обзавелись электромиографией, было делом случая. Нужно было по поводу какого-то аппарата дать отзыв, для Комитета по изобретениям и открытиям. Я написал отзыв, а когда был в Ленинграде, пошел туда – это было в Политехническом институте, нашел этих ребят и попросил аппарат показать. И спросил их:
– Вы могли бы дать мне аппарат попользоваться?
– Нет, он у нас единствнный.
– А сделать второй экземпляр?
Я попросил кое-что изменить, и у меня появился очень хороший экземпляр. Но тогда ЭМГ можно было писать только в экранированных от магнитных полей помещениях. Я сделал в лаборатории камеру с окнами, затянутыми решетками, которые не мешали видеть лампочки. В этой камере можно было записывать ходьбу – она была шесть метров – и одновременно работу мышц. Это была одна из первых работ по электромиографии ходьбы. Там были свои сложности: электроды могли смещаться, и от этих смещений были помехи. Миша Цетлин помог мне их на миограммах убрать.
Когда мы стали заниматься электромиографией, встал вопрос, как ее количественно описывать. У нее пики неравномерные, что брать – средние, огибающие? Тогда не было еще никаких реальных предложений. Мы подсчитывали количество зубцов, их амплитуду и брали сумму… Я попросил Мишу, и он мне сделал прибор, с помощью которого миограмма подавалась на скоростной счетчик, и счетчик выдавал цифру. Когда он это сделал и можно было видеть в цифрах, как работает мышца, тогда встал вопрос: а может быть, попробовать управлять движением кисти протеза с помощью биотоков? На животных использовались не миографы, а струнные гальванометры, которые были очень чувствительны. Вначале они использовались даже без усилителей, а потом появились усилители и стали использовать другие формы записи. Но количественные вещи никого не интересовали. А меня интересовали количественные вещи, потому что мне надо было увидеть: вот человек обучается – что при этом происходит? И Миша помог сделать эту установку для количественной оценки электромиограммы.
Для меня существенным этапом в создании протеза было, когда я понял, что могу числом выразить активность мышцы. Других способов не было. А это был простой способ, и это было толчком: почему бы не попробовать? Если я могу гонять стрелку туда и сюда, то почему я не могу мотор гонять? Так пришла идея, и прибор мы сделали очень быстро – за несколько дней. А потом взяли серийный протез, механику сделали очень грубую… Потом мы нашли пути, и на Московском часовом заводе нам сделали редуктор – под миниатюрный двигатель. И тогда мы сразу почувствовали противодействие Министерства социального обеспечения, потому что наш протез стоил 900 рублей, а стандартный – 200. И они почувствовали, что мы враги и старались нас задушить, искали всеми путями показать, что это невозможно. Но на протезном заводе были энтузиасты, и они стали делать протезы в большом количестве.
Однажды я попробовал проанализировать эту историю: толчком стало то, что протезом заинтересовались за границей. У нас появился какой-то врач-англичанин, он летел из Индии в Лондон, специально чтобы встретиться со мной и обсудить возможности создания биоуправляемых протезов рук (и, может быть, даже ног) для детей. В 1947-1949 годах в Европе и Англии беременным женщинам давали талидомид, и родилось много увечных детей. Врач имел к этому отношение и приехал посоветоваться, можно ли что-нибудь сделать для талидомидных детей. Я сказал: да, можно. Дело было только в миниатюризации протезов и тренировке детей. Для управления протезом можно было использовать мышцы плеча. Об этом сначала узнали в Канаде и сделали образец: протез назывался «Иван». Они опубликовали отчет, из которого все узнали, что протез работает. Это было при Хрущеве, и он даже где-то упоминал, что у нас есть такие замечательные вещи, как турбо-бур и биоэлектрическая рука. И только потому, что был интерес со стороны англичан, немцев, и были эти бумаги из Канады, нас не смогли зарубить. А после того, как налажено было массовое производство, мы получилии госпремию. У нас выпустили примерно 10 000 протезов.
Протезирование, заключает Гурфинкель, – интересное дело по нескольким причинам: «во-первых, это стык техники с живым, для пользы живого. Второе – это непривычная ситуация: это увечные люди, для которых обычные приемы не годятся и надо выработать новые, которыми здоровый человек не владеет. И третье: надо найти, какими способами их обучать. Таковы три проблемы протезирования, которое было у нас захудалым делом и считалось кустарным» [8]. Однако после того, как Московское бюро протезирования преобразовали в Центральный научно-исследовательский институт протезирования и протезостроения, где и вели свои разработки Гурфинкель и его талантливые коллеги, ситуация коренным образом изменилась.
В повествовании Виктора Семеновича Гурфинкеля интересно не только сообщение об успехах, но и рассказ о том, почему же, выпустив много экземпляров, протез руки сняли с производства. Оказалось, что он мало востребован:
…я стал смотреть и увидел, что зря мы так старались, что есть много случаев, когда биопротез не нужен. Если, например, молодой человек потерял правую руку, он может переучить левую руку, и у него она будет более активной, чем протез. Кроме того, у нашего протеза было схват-разжатие, потом мы сделали поворот кисти, потом мы сделали обратную связь: от уровня усилия поступали сигналы вибрационные на кожу. Там есть много своих проблем, все не так просто, потому что это получается не автоматическое управление, а произвольное. А раз произвольное – значит, что вы можете делать только одно дело за один раз. Только подхалимы утверждали, что Гай Юлий Цезарь может делать пять дел одновременно и независимо. Я верю, что сложное дело можно делать только одно. Если вы обучились, и оно станет автоматизированным, то будет работать само по себе, и вы будете иметь какую-то иную активную цель.
Если человек без двух рук сидит за столом, то он может попросить соседа, чтобы тот положил ему в искусственную руку хлеб – это естественно. Но если он идет, извиняюсь, в уборную, то вряд ли будет кого-то просить. Старый протез оставался на тяге: вы хотите закрыть руку – поворачиваете плечо сюда. Натягивается тяга, и она закрывает руку, а если вы руку – в другое место, то пальцы уже не работают. А с биоэлектрическим протезом это не так, он действовал независимо. Оказалось, что он очень помогает двусторонне ампутированным – тем, кто не может переучиться, а многим он не нужен, и им пользуются как косметическим.
Эти размышления Гурфинкеля, одного из основоположников биопротезирования, не устарели и в наши дни. Конструированием и производством протезов занимаются сейчас ведущие лаборатории мира, но, конечно, не бескорыстно. Протезирование и робототехника – индустрия, сопровождающаяся массивной рекламой, со всеми вытекающими из этого обстоятельствами [9]. При этом разработчики, производители и дилеры стараются не упоминать тот факт, что научиться пользоваться протезом стоит огромных усилий. И, в частности, по этой причине человек с одной сохранной рукой скорее предпочтет делать все этой рукой, чем преодолевать трудности обучения. Гурфинкель с коллегами тоже, естественно, столкнулись с этой проблемой обучения тому, как управляться с протезом: «Несмотря на то, что инвалиды, пользующиеся протезами с биоэлектрическим управлением, могут контролировать действия исполнительных механизмов с помощью зрения и слуха, с повышением точности, скорости выполнения операций и их числа такой контроль становится все более и более недостаточным» [3, c. 86].
Однажды меня вызвал один командный чин и спросил:
– Много вам приходилось ампутировать?
– Не считал, всяко бывало.
– Время поменялось. Теперь надо не отрезать ноги, а приделывать.
– А это как?
– О, это уже другой разговор. Я вас пошлю в Шаритэ, в Берлин, и там вы научитесь.
– А зачем?
– Тут у нас много немцев, мастеров, они все гражданские, протезисты, и они умеют что-то делать, но это надо организовать.
– Но я же ничего не умею.
– Вот вы и научитесь.
И я поехал в Шаритэ. Там было протезное отделение, делали ортопедические аппараты – в том числе, Рузвельту. Пробыл там три недели – приходит телеграмма: хватит учиться, приезжай. И я вернулся и организовал немцев.
Эти немцы были очень профессиональные люди. Я мог получать для них военные пайки – тогда это было главное. Немцы работали очень хорошо, потому что я им не мешал. Они знали, что делать, и народ был приятный. Мы перебрались в Лодзь – там был большой госпиталь, в котором были ампутированные. Немцев поселили в один дом, и утром их провожали солдаты на работу, главным образом потому, что по дороге их могли избить или оскорбить. Я тоже жил в этом доме, и у нас были очень добрые, теплые отношения. Потом была конференция тыла, и мой начальник решил, что надо что-то показать. Мы показали больного, у которого не было двух ног и руки. Стояла ширма, за ней – кровать, на которой он лежал в белье. Ширму закрыли, а через десять минут открыли снова – и больной стал прохаживаться, с руками и ногами и в форме. Рокоссовский, пересевший в первый ряд, встал и начал аплодировать.
Потом приехали из Москвы, посмотрели, как это у нас все здорово сделано, и велели всё отправить в Москву. Но немцев из Польши в Москву нельзя было отправить! Я говорю начальнику:
– Всё ведь пропадет!
– Я ничего не могу...
И вот пришлось ехать в Москву. При Главном военно-медицинском управлении было Особое конструкторское бюро по протезированию. Оно было создано после войны на предмет разработки протезов для старших офицеров, ампутированных, которые остаются на службе в армии. Я считался главным врачом этого ОКБ. В конце концов, меня приняли в аспирантуру Института протезирования. Институт протезирования был создан в 1939 году – до этого протезированием занималось ЦИТО. Лаборатория физиологии и патологии движений была создана для Николая Александровича Бернштейна, она просуществовала до 1949 года. Я поступил в конце 1946 года. В лаборатории была одна женщина – его зам, потом она ушла, и так получилось, что все административные дела перешли ко мне.
Протезы надо делать так, чтобы человек мог хорошо ходить. А как люди ходят, знал только Бернштейн; у него были книжки «Биодинамика локомоций», «Исследования ходьбы, бега, прыжка». Он был одним из крупнейших специалистов по локомоциям и считал, что надо разрабатывать научные основы протезирования – иначе оно оставалось ремеслом. Но Бернштейна интересовала в основном теория движений, а я был практик. (Я не только командовал немцами, но многому у них научился и мог делать протезы сам, своими руками. Нельзя управлять людьми, если ты не понимаешь. Потом мне это пригодилось. И в ОКБ я мог делать то, что хочу.)
В последние годы в Институте протезирования я занимался кровообращением в ампутационной культе. Оказалось, что в момент, когда человек наступает на протез, в культе прекращается кровообращение, потому у ампутированных часто бывают трофические язвы на культе. Я померил кровообращение одним способом, потом другим способом. Тогда впервые появились изотопы. Я пошел на курсы, потратил четыре месяца, освоил изотопный метод и получил разрешение. Создал маленькую группу для изучения клиренса – местного кровообращения. Вот представьте, что течет река, а на берегу собрался мусор, и вода немножко этот мусор смывает, очищая берег (отсюда слово клиренс – очищение). Вы вместо мусора вводите изотоп, а кровоток его смывает. И вы изучаете, насколько уменьшается эта «куча мусора» – по радиоактивности.
Я знал, что есть очень хорошие приборы, но достать их невозможно. Взял письмо за подписью президента Академии и поехал на завод, где их выпускают. Показал директору, он сказал: я в этом ничего не понимаю, иди к главному конструктору. Главного все называли «Львович» [7]. Он спросил: «Что, диссертацию делать? А для чего?» Я объяснил. «А я могу это увидеть? Когда? – Завтра». Пришел наутро, посмотрел, ничего не сказал и ушел. Через два дня мне приносят прибор. Я говорю:
– Что вы, я не могу его взять, он стоит 100 000.
– Ничего не знаю, Львович сказал, и всё.
Это был Михаил Львович Цетлин. Его отправили по окончании физфака учителем в Читу, а он в Читу не поехал и пошел на 318-й завод контролером ОТК, а потом стал главным коструктором.
Я «Львовича» поблагодарил, а он говорит:
– У меня есть знакомый, а у него нога как карандаш со сломанным грифелем – его чинишь, а он никуда не годится. Вот ему стопу отрезали, потом голень, потом бедро. Ты можешь его посмотреть?
– Мы уже были на «ты».
Я говорю: конечно, мы вместе посмотрим.
Он привел приятеля, проверили на его новом приборе, который очень хорошо считал.
Я говорю:
– Миша, я занимаюсь электромиографией и вручную всё это делаю, а мне кажется, что эти счетчики потянут.
– Потянут. Я вам подарю.
И так мы с ним стали заниматься электромиографией и вместе с ним сделали протез руки, который управлялся электромиограммой. Мы оба решали, что нужно сделать, и он у себя на заводе это делал. Это довольно быстро все пошло, было сделано большое количество этих протезов и даже получили госпремию. На Западе ничего такого еще не было. Норберт Винер знал про этот протез и, когда был в Москве, он пришел в нашу лабораторию, а потом написал какую-то очень блестящую статью по этому поводу (я в это время был в Новосибирске и ничего об этой статье не знал).
То, что мы обзавелись электромиографией, было делом случая. Нужно было по поводу какого-то аппарата дать отзыв, для Комитета по изобретениям и открытиям. Я написал отзыв, а когда был в Ленинграде, пошел туда – это было в Политехническом институте, нашел этих ребят и попросил аппарат показать. И спросил их:
– Вы могли бы дать мне аппарат попользоваться?
– Нет, он у нас единствнный.
– А сделать второй экземпляр?
Я попросил кое-что изменить, и у меня появился очень хороший экземпляр. Но тогда ЭМГ можно было писать только в экранированных от магнитных полей помещениях. Я сделал в лаборатории камеру с окнами, затянутыми решетками, которые не мешали видеть лампочки. В этой камере можно было записывать ходьбу – она была шесть метров – и одновременно работу мышц. Это была одна из первых работ по электромиографии ходьбы. Там были свои сложности: электроды могли смещаться, и от этих смещений были помехи. Миша Цетлин помог мне их на миограммах убрать.
Когда мы стали заниматься электромиографией, встал вопрос, как ее количественно описывать. У нее пики неравномерные, что брать – средние, огибающие? Тогда не было еще никаких реальных предложений. Мы подсчитывали количество зубцов, их амплитуду и брали сумму… Я попросил Мишу, и он мне сделал прибор, с помощью которого миограмма подавалась на скоростной счетчик, и счетчик выдавал цифру. Когда он это сделал и можно было видеть в цифрах, как работает мышца, тогда встал вопрос: а может быть, попробовать управлять движением кисти протеза с помощью биотоков? На животных использовались не миографы, а струнные гальванометры, которые были очень чувствительны. Вначале они использовались даже без усилителей, а потом появились усилители и стали использовать другие формы записи. Но количественные вещи никого не интересовали. А меня интересовали количественные вещи, потому что мне надо было увидеть: вот человек обучается – что при этом происходит? И Миша помог сделать эту установку для количественной оценки электромиограммы.
Для меня существенным этапом в создании протеза было, когда я понял, что могу числом выразить активность мышцы. Других способов не было. А это был простой способ, и это было толчком: почему бы не попробовать? Если я могу гонять стрелку туда и сюда, то почему я не могу мотор гонять? Так пришла идея, и прибор мы сделали очень быстро – за несколько дней. А потом взяли серийный протез, механику сделали очень грубую… Потом мы нашли пути, и на Московском часовом заводе нам сделали редуктор – под миниатюрный двигатель. И тогда мы сразу почувствовали противодействие Министерства социального обеспечения, потому что наш протез стоил 900 рублей, а стандартный – 200. И они почувствовали, что мы враги и старались нас задушить, искали всеми путями показать, что это невозможно. Но на протезном заводе были энтузиасты, и они стали делать протезы в большом количестве.
Однажды я попробовал проанализировать эту историю: толчком стало то, что протезом заинтересовались за границей. У нас появился какой-то врач-англичанин, он летел из Индии в Лондон, специально чтобы встретиться со мной и обсудить возможности создания биоуправляемых протезов рук (и, может быть, даже ног) для детей. В 1947-1949 годах в Европе и Англии беременным женщинам давали талидомид, и родилось много увечных детей. Врач имел к этому отношение и приехал посоветоваться, можно ли что-нибудь сделать для талидомидных детей. Я сказал: да, можно. Дело было только в миниатюризации протезов и тренировке детей. Для управления протезом можно было использовать мышцы плеча. Об этом сначала узнали в Канаде и сделали образец: протез назывался «Иван». Они опубликовали отчет, из которого все узнали, что протез работает. Это было при Хрущеве, и он даже где-то упоминал, что у нас есть такие замечательные вещи, как турбо-бур и биоэлектрическая рука. И только потому, что был интерес со стороны англичан, немцев, и были эти бумаги из Канады, нас не смогли зарубить. А после того, как налажено было массовое производство, мы получилии госпремию. У нас выпустили примерно 10 000 протезов.
Протезирование, заключает Гурфинкель, – интересное дело по нескольким причинам: «во-первых, это стык техники с живым, для пользы живого. Второе – это непривычная ситуация: это увечные люди, для которых обычные приемы не годятся и надо выработать новые, которыми здоровый человек не владеет. И третье: надо найти, какими способами их обучать. Таковы три проблемы протезирования, которое было у нас захудалым делом и считалось кустарным» [8]. Однако после того, как Московское бюро протезирования преобразовали в Центральный научно-исследовательский институт протезирования и протезостроения, где и вели свои разработки Гурфинкель и его талантливые коллеги, ситуация коренным образом изменилась.
В повествовании Виктора Семеновича Гурфинкеля интересно не только сообщение об успехах, но и рассказ о том, почему же, выпустив много экземпляров, протез руки сняли с производства. Оказалось, что он мало востребован:
…я стал смотреть и увидел, что зря мы так старались, что есть много случаев, когда биопротез не нужен. Если, например, молодой человек потерял правую руку, он может переучить левую руку, и у него она будет более активной, чем протез. Кроме того, у нашего протеза было схват-разжатие, потом мы сделали поворот кисти, потом мы сделали обратную связь: от уровня усилия поступали сигналы вибрационные на кожу. Там есть много своих проблем, все не так просто, потому что это получается не автоматическое управление, а произвольное. А раз произвольное – значит, что вы можете делать только одно дело за один раз. Только подхалимы утверждали, что Гай Юлий Цезарь может делать пять дел одновременно и независимо. Я верю, что сложное дело можно делать только одно. Если вы обучились, и оно станет автоматизированным, то будет работать само по себе, и вы будете иметь какую-то иную активную цель.
Если человек без двух рук сидит за столом, то он может попросить соседа, чтобы тот положил ему в искусственную руку хлеб – это естественно. Но если он идет, извиняюсь, в уборную, то вряд ли будет кого-то просить. Старый протез оставался на тяге: вы хотите закрыть руку – поворачиваете плечо сюда. Натягивается тяга, и она закрывает руку, а если вы руку – в другое место, то пальцы уже не работают. А с биоэлектрическим протезом это не так, он действовал независимо. Оказалось, что он очень помогает двусторонне ампутированным – тем, кто не может переучиться, а многим он не нужен, и им пользуются как косметическим.
Эти размышления Гурфинкеля, одного из основоположников биопротезирования, не устарели и в наши дни. Конструированием и производством протезов занимаются сейчас ведущие лаборатории мира, но, конечно, не бескорыстно. Протезирование и робототехника – индустрия, сопровождающаяся массивной рекламой, со всеми вытекающими из этого обстоятельствами [9]. При этом разработчики, производители и дилеры стараются не упоминать тот факт, что научиться пользоваться протезом стоит огромных усилий. И, в частности, по этой причине человек с одной сохранной рукой скорее предпочтет делать все этой рукой, чем преодолевать трудности обучения. Гурфинкель с коллегами тоже, естественно, столкнулись с этой проблемой обучения тому, как управляться с протезом: «Несмотря на то, что инвалиды, пользующиеся протезами с биоэлектрическим управлением, могут контролировать действия исполнительных механизмов с помощью зрения и слуха, с повышением точности, скорости выполнения операций и их числа такой контроль становится все более и более недостаточным» [3, c. 86].
Рис. 7. Тренировочный стенд. Иллюстрация из книги [3]
Кроме того, автоматизацию новых двигательных навыков затрудняет участие в управлении зрения – иначе говоря, переходить со зрительного контроля во время обучения на управление «вслепую», с помощью проприоцепции (т.е рецепторов внутренних органов, прежде всего, мышц, связок и суставных поверхностей) требует образования особого навыка. В результате многолетних испытаний в Центральном научно-исследовательском институте протезирования, в лаборатории физиологии движений под руководством Я.Л. Славуцкого, создали метод тренировки, который позволял перестроить естественную координацию двигательного акта. Тренировка проходила под контролем зрительной обратной связи, при этом выбранные для биоэлектрического управления мышцы принимают минимальное участие в движениях руки при управлении протезом. С помощью такой методики, пусть за длительное время, но удавалось выработать у инвалидов навыки биоэлектрического управления пороговой системой для двух и даже трех движений макета протеза соответственно от четырех и шести мышц культи предплечья [3, с. 75]. Тем не менее, управление происходило в режиме произвольных, намеренных движений, а не бессознательно, как движения собственной руки.
История создания биопротеза заставляет нас обратиться к той чудесной и отнюдь не до конца понятой системе, которую представляет собой не киборг, а самый обычный живой организм [10]. Становится понятно, насколько сложно «быть киборгом», насколько проблематично истинное сращение устройства и организма. Возможно, это позволит более критически отнестись к широко распространившимся ныне проектам соединения искусственного интеллекта с организмом человека или наделения андроидов физическим, «как у человека», телом. Действительно, антропоморфные и зооморфные роботы часто двигаются лучше их живых прототипов и уж, конечно, более сильны и выносливы. Тем не менее, нельзя забывать: они могут это делать исключительно потому, что в них установлена компьютерная программа, которая моделирует движения, имитирует их для «железа». Напротив, управление в живом организме может быть основано совсем на других причинах и принципах. История создания биопротеза напоминает на о том, что недооценивать дистанцию, отделяющую между модель от прототипа – человеческого тела, со всеми его ограничениями, но и всеми возможностями.
История создания биопротеза заставляет нас обратиться к той чудесной и отнюдь не до конца понятой системе, которую представляет собой не киборг, а самый обычный живой организм [10]. Становится понятно, насколько сложно «быть киборгом», насколько проблематично истинное сращение устройства и организма. Возможно, это позволит более критически отнестись к широко распространившимся ныне проектам соединения искусственного интеллекта с организмом человека или наделения андроидов физическим, «как у человека», телом. Действительно, антропоморфные и зооморфные роботы часто двигаются лучше их живых прототипов и уж, конечно, более сильны и выносливы. Тем не менее, нельзя забывать: они могут это делать исключительно потому, что в них установлена компьютерная программа, которая моделирует движения, имитирует их для «железа». Напротив, управление в живом организме может быть основано совсем на других причинах и принципах. История создания биопротеза напоминает на о том, что недооценивать дистанцию, отделяющую между модель от прототипа – человеческого тела, со всеми его ограничениями, но и всеми возможностями.
Источники и примечания
1. Кобринский А.Е., Брейдо М.Г., Гурфинкель В.С., Сысин А.Я., Цетлин М.Л., Якобсон Я.С. Биоэлектрическая система управления // Доклады АН СССР. 1957. Т. 117. Вып. 1. С. 78–80.
2. Иванов В.В. Из истории кибернетики в СССР. Очерк жизни и деятельности М. Л. Цетлина // Очерки истории информатики в России / Под ред. Д.А. Поспелова, Я.И. Фета. Новосибирск, 1998 [Электронный ресурс]. URL: http://cshistory.nsu.ru/null?int=VIEW&el=290&templ=INTERFACE (дата обращения: 24.03.2020).
3. Гурфинкель В.С., Малкин В.Б., Цетлин М.Л., Шнейдер А.Ю. Биоэлектрическое управление. М.: Наука, 1972.
4. Reiter R. Eine neue Elektrokunsthand // Grenzgebiete Med., 1948. H. 1, S. 133-135.
5. Berger N., Huppert C.R. The use of electrical muscular forces for the control of an electrical prosthesis // American Journal of Occupational Therapy. 1952. Vol. 6, no. 3, pp. 110-114.
6. Battye C.K., Nightingale A., Whillis I. The use of myoelectric currents in the operation of prosthesis // Journal of Bone and Joint Surgery. 1955. Vol. 3-B, no. 3, pp. 506-510.
7. Михаил Львович Цетлин (1924–1966) – математик, один из создателей советской школы кибернетики; см. о нем: Левин В.И. М.Л. Цетлин и развитие математического моделирования в СССР // Вестник российских университетов. Математика. 2015. Т. 20. Вып. 6. С. 1834–1839.
8. Бирюкова Е.В., Сироткина И.Е. Из истории отечественной физиологии // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2013. Т. 63. №1. С. 154-172.
9. Один из лидеров отрасли, компания «Boston Dynamics», делает фантастические разработки роботов, в том числе, по военным заказам: https://www.bostondynamics.com/
10. О «живом» движении (термин Н.А. Бернштейна) см.: Сироткина И.Е. Мир как живое движение: Интеллектуальная биография Николая Бернштейна / Отв.ред. А.Г. Асмолов. М.: Когито-Центр, 2018 (2-е изд., испр. и дополн., в 2020 г.).
2. Иванов В.В. Из истории кибернетики в СССР. Очерк жизни и деятельности М. Л. Цетлина // Очерки истории информатики в России / Под ред. Д.А. Поспелова, Я.И. Фета. Новосибирск, 1998 [Электронный ресурс]. URL: http://cshistory.nsu.ru/null?int=VIEW&el=290&templ=INTERFACE (дата обращения: 24.03.2020).
3. Гурфинкель В.С., Малкин В.Б., Цетлин М.Л., Шнейдер А.Ю. Биоэлектрическое управление. М.: Наука, 1972.
4. Reiter R. Eine neue Elektrokunsthand // Grenzgebiete Med., 1948. H. 1, S. 133-135.
5. Berger N., Huppert C.R. The use of electrical muscular forces for the control of an electrical prosthesis // American Journal of Occupational Therapy. 1952. Vol. 6, no. 3, pp. 110-114.
6. Battye C.K., Nightingale A., Whillis I. The use of myoelectric currents in the operation of prosthesis // Journal of Bone and Joint Surgery. 1955. Vol. 3-B, no. 3, pp. 506-510.
7. Михаил Львович Цетлин (1924–1966) – математик, один из создателей советской школы кибернетики; см. о нем: Левин В.И. М.Л. Цетлин и развитие математического моделирования в СССР // Вестник российских университетов. Математика. 2015. Т. 20. Вып. 6. С. 1834–1839.
8. Бирюкова Е.В., Сироткина И.Е. Из истории отечественной физиологии // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2013. Т. 63. №1. С. 154-172.
9. Один из лидеров отрасли, компания «Boston Dynamics», делает фантастические разработки роботов, в том числе, по военным заказам: https://www.bostondynamics.com/
10. О «живом» движении (термин Н.А. Бернштейна) см.: Сироткина И.Е. Мир как живое движение: Интеллектуальная биография Николая Бернштейна / Отв.ред. А.Г. Асмолов. М.: Когито-Центр, 2018 (2-е изд., испр. и дополн., в 2020 г.).
