Инна Конрад
Перевод с испанского технического описания
Ксения Сальникова
Научно-техническое творчество молодежи на службе людей с ограниченными возможностями
Разработчики протеза для верхних конечностей на проекте «Мехатроника». Международная исследовательская школа. Звенигород, 2009
2009 год, объявленный Годом равных возможностей, был отмечен большим количеством разнообразных мероприятий, направленных на привлечении внимания общественности к проблемам инвалидов. Социализации, трудоустройство и самое важное – создание условий для облегчения повседневного быта людей с ограниченными возможностями, - стали темой обсуждений в печати и на телевидении. Один из аспектов данного социального эксперимента – изменение отношения к людям с теми или иными проблемами здоровья. Общество должно не исключать таких людей из активной жизни, а принимать активное участие в их социализации и психологической реабилитации. Безусловно, этот процесс - «включение» проблем инвалидов в сферу личного внимания и непосредственное участие в их жизни, - чрезвычайно длительный и сложный. В данном случае работа может идти по нескольким направлениям: перечисление денег в фонды поддержки, участие в благотворительных акциях и тому подобное. Но зачастую даже и в этом случае сохраняется дистанция между здоровыми и теми, кому оказывается поддержка. Одним из способов ее преодоления является совместная деятельность – когда все могут работать на равных и на первый план выходят интеллектуальные и психологические качества человека независимо от его физического состояния. Именно такая работа была организована в рамках II Международная исследовательская школа, прошедшей в Москве в июне этого года.
Международные исследовательские школы – проект Общероссийского общественного движения творческих педагогов «Исследователь», Московского городского Дворца детского (юношеского) творчества, Лицея № 1553 «Лицей на Донской». Второй года мероприятие проходит под патронажем MILSET - Международного общества в поддержку научно-технического досуга молодежи. В течение десяти дней старшеклассники их разных стран мира решают исследовательские задачи в различных научных областях под руководством тьюторов – научных сотрудников европейских и американских высших учебных заведений. Экспресс-проекты выстроены таким образом, что за несколько дней школьники должны пройти все этапы научного исследования: поиск проблемы, постановка цели, решение задач, экспериментальная часть, формулировка выводов. В этом году к традиционным естественно-научным и гуманитарным дисциплинам был добавлен научно-технический проект в области мехатроники – изготовление радиоуправляемого проекта верхней конечности.
Главное отличие этого экспресс-проекта заключалось в том, что его руководители, помимо образовательной главной целью видели привлечение внимания подрастающего поколения к активному участию в жизни людей с ограниченными возможностями. Разработчики проекта – группа инженеров и программистов, состоящая из студентов и преподавателя Технологического института Сьюдад-Мадеро (Мексика). Эктора Эммануэль Муньос Сапата, Хесус Иван Соломон Гарсия, Лилиана Елизабет Арвису Родригес и Силия Алехандра Гарсия Саласар приехали в Москву со своей разработкой и предложили участникам в течение работы II Международной исследовательской школы сконструировать протез по уже имеющему образцу.
Идея этой разработки принадлежит Хесусу Ивану Соломону Гарсия и Лилиане Елизабет Арвису Родригес. Иван и Лилиана – жених и невеста. Их дружба началась еще в школе, а и в какой-то степени стала основой данной разработки: «Три года назад, когда я уже учился на первом курсе института, Лилиана заканчивала старшую школу. В качестве диплома она должна была представить технический проект. Но это должна была быть не просто разработка какого-нибудь приспособления. Он должен был быть иметь социальное значение. Возможно, не последнюю роль сыграло то, что семья Лилианы занимается производством протезов. Моя специализация – электронная инженерия, Лилиана занималась механической частью. Нашей задачей было объединить механическую и электронную составляющие», - рассказывает Иван. Таким образом было положено начло новой мехатронной разработке.
На сегодняшний день существует три наиболее распространенные модели протезов. Это протез с так называемым «пассивным действием», то есть его основная функция - эстетическая. Второй тип – механические протезы. Они управляются усилием плеч и выполняют только два движения: сгибание в области локтевого сустава и грубое сжатие кисти. Рука может просто открыться или закрыться с помощью пружины или рессоры. И третий тип - основанные на электронике: передатчики улавливают сигналы, посылаемые мозгом, и выполняют то или иное движение. К мускулам подключены сенсоры, которые чувствуют разницу в напряжении мышц. Но проблема заключается в том, что если человек испытывает сильные эмоции, например, нервничает, то мускулы могут непроизвольно напрягаться, и протез начинает выполнять хаотичные движения.
Проанализировав имеющиеся модели, Иван и Лилиана начали работу над новым типом искусственной верхней конечности – протезом, управляемым движением стопы: стелька со встроенными сенсорами делится на несколько зон, нажатие на которые дает импульс к тому или иному движению искусственной руки. Главной целью было сделать экономичную модель, максимально удобную в использовании и позволяющую выполнять более тонкие операции.
Первый образец представлял собой ученическую работу, совершенствование которой молодые люди решили продолжить в высшей школе. Для этого потребовались знания в области механики, электроники, программирования; нужно было изучить специфику передачи радиосигналов, поэтому команда увеличилась до четырех человек: к Ивану и Лилиане присоединился студент факультета электронной инженерии Технологического института Сьюдад-Мадеро Эктор Эммануэль Муньос Сапата, а в роли руководителя выступил магистр электроники Хосе Федерико Чонг Флорес. Два года назад один из членов команды стала Силия Алехандра Гарсия Саласар – тоже студентка Технологического института, которая внесла огромный вклад в развитие этого проекта, ведь именно для таких как она ведется разработка: 9 лет назад в ужасной автомобильной катастрофе Силия лишилась обеих рук. Замечания Силии, рассказывающей о своих потребностях, ощущениях, позволили откорректировать работу и сделать протез более удобным в применении. И сегодня Силия активно работает вместе с ребятами, проверяя целесообразность всех привносимых изменений.
На данный момент главное отличие модели заключается в специфике управления: система состоит из собственно искусственной руки и стельки с пятью сенсорами, нажатие на которые приводит руку в движение. Основных движений четыре: поднятие и опускание запястья, сгибание и разгибание в локте, поворот запястья в двух направления – вправо и влево, раскрытие и закрытие кисти. Можно управлять силой сжатия кисти для того, чтобы брать различные предметы – как тяжелые, так и легкие. Механическая часть протеза состоит из алюминия, нержавеющей стали, полипропилена. Из последнего делается «гнездо», которое контактирует с плечом. Эта часть протеза покрыта акриловой краской телесного цвета. Запястье состоит из полос алюминия – легкого металла, который может принимать большое количество форм. Так же использована нержавеющая сталь - устойчивая и прочная. В области кисти есть механизм с системой сцепления силовых коробок, которые позволяют в несколько раз увеличивать силу, генерируемую мотором. Одной из ключевых характеристик является вес составляющих: если протез будет даже чуть-чуть тяжелым, то это даст дополнительную нагрузку на позвоночник и может стать причиной новых проблем со здоровьем.
Вначале протез и стелька имели проводное соединение, но в процессе работы было найдено решение – радиочастота. Одним из вариантов было использование инфракрасного излучения. Все мы знаем, как работает пульт от телевизора: подается некий сигнал, который влечет за собой действие – переключение канала. Но этот сигнал имеет однонаправленное действие. К тому же, он может воздействовать на аналогичные механизмы, и не исключена вероятность того, что если рядом будут находиться несколько человек с одинаковыми протезами, то один сигнал может привести в действие их все. Поэтому применение радиосигнала с кодификацией стало оптимальным решением. Используется частота 2.4 Ггц, чтобы избежать перегрузки линии, скорость передачи информации ограничивается до 9600 бит в секунду. И эта скорость кодируется микрорегулятором, который находится в стельке, а также микрорегулятором, который находится в самом протезе. Это - своеобразные «мозги» протеза. Связь между нами установлена напрямую.
Сама стелька разделена на пять зон, в каждой из которых располагается сенсор: один сенсор в части пятки, два – на подушечках стопы (в области клиновидной и клубовидной костей) и два - на пальцах. Каждая зона «отвечает» за определенное движение. Сенсор на пятке функционирует как переключатель: чтобы привезти протез в действие, нужно нажать на две зоны. Нажатие на пятку – сигнал к остановке. При ходьбе система блокируется. Это, на данный момент, одна из пока нерешенных проблем: протез может работать только, когда пользователь стоит и может сосредоточиться на движениях стопы.
По словам Хосе Федерико Чонг Флореса идея привлечь внимание к проблемам людей с разными возможностями была доминирующей: «В Мексике мы участвовали в региональных и национальных конкурсах научно-технического творчества. В последние годы у нас в стране уделяется большое внимание научно-техническому творчеству молодежи. Государство стремится активизировать творческий потенциал молодых инженеров и привлекает специалистов не только к работе в лабораториях, но и к участию в выставках. Ведь это не просто обмен опытом. Победители выставок того или иного – регионального, общенационального - уровней имеют возможность демонстрировать свои разработки на выставках международного уровня, тем самым привлекая потенциальных производителей и спонсоров.
Наша команда уже побывала за пределами Мексики. Поездка в Москву – это еще один шанс обратить внимание людей на тех, кто ограничен в своей жизнедеятельности, а так же возможность получить новые идеи для усовершенствования протеза. Мы хотим пригласить молодежь всего мира к работе над социально значимым проектом. Это очень важно, наша жизнь этого требует».
Огромную роль играет личное присутствие Силии: работа рядом с человеком, который в определенной степени зависит от тебя, из абстрактного моделирования превращается в эмоционально переживаемое действие и требует большей концентрации и ответственности.
Школьники из России, Ирана и Мексики, принимавшие участие в сборке и усовершенствовании конструкции, оценили эту работу как чрезвычайно значимую для себя, а это значит, что и организаторы школы, и руководители проекта, пусть на немного, продвинули часть общества на пути гуманизации и социально значимого творчества в области науки и техники.