Гаджет моего тела
Пожалуй, самое широко известное и распространенное применение имплантированной носимой электроники — электрокардиостимуляторы. С момента разработки первого образца в 1961 году десятки миллионов людей использовали этот тип носимой электроники. Современные электрокардиостимуляторы имеют более совершенные свойства и расширенные функции.
Искусственная электронная кожа (e-skin) может частично воплотить эту идею в жизнь. Ученые из токийского университета (University of Tokyo’s School of Engineering, Tokyo, Japan) разрабатывают гибкие электронные схемы, которые можно установить непосредственно на кожу человека. Они легко деформируются и растягиваются, превращая поверхность в сенсорный экран, который полезен не только в повседневной жизни, но и в случаях нарушения местной иннервации (к примеру, ожогах). Простейший вариант этой технологии — татуировка, над каждой разновидностью которой давно работают различные группы специалистов.

Исследователи Иллинойского университета разработали имплантируемую сетку из компьютерных волокон, которые тоньше человеческого волоса и могут осуществлять мониторинг внутренних процессов тела с поверхности кожи. Компания Dangerous Things разработала NFC-чип, который имплантируется в палец с помощью очень простого процесса, похожего на нанесение татуировки, и позволяет вам разблокировать устройства или вводить код, просто указывая на нужный гаджет пальцем. В мире уже давно есть фанаты, разместившие в себе подобные чипы.

Специалисты Северо-восточного университета в США разработали «татуировку» со встроенными наносенсорами, которая предназначена для контроля уровня кислорода в крови у пациентов с анемией. Эта же система может использоваться, например, велосипедистами при мониторинге уровня натрия для предотвращения обезвоживания. Метод заключается в инъекции под кожу раствора, содержащего специально подобранные наночастицы, которые флюоресцируют при взаимодействии с молекулами натрия или глюкозы. С помощью смартфона можно контролирует изменения уровня флуоресценции.

Ряд компаний занимается разработкой сенсоров в виде временной татуировки — приклеиваемой на кожу тонкой пленки. В частности, компания Electrozyme разработала сенсор метаболических веществ, выделяемых вместе с потом, который позволяет спортсменам оценить свой электролитный баланс, уровень гидратации, напряжение мышц и физическую работоспособность. Учёные из Калифорнийского университета используют аналогичную технологию для мониторинга диабета.
Вместо татуировки можно создать и новую кожу. Стандартная электронная кожа состоит из матрицы, которая включает в себя различные электронные компоненты — гибкие транзисторы, органические светодиоды и фотогальванические ячейки. Зачастую такие устройства построены из очень тонких слоев материала, распыленного и вновь конденсированного на базе большой (до нескольких десятков квадратных сантиметров) основы для e-skin. Со временем ученые надеются превратить саму кожу в чувствительный экран, используя тактильные центры и сенсоры вместо дисплея.

Иногда так случается, что кое-что в теле пациента приходится заменить на полностью искусственное изделие. И неспроста протезирование является сегодня одним из самых востребованных и прогрессирующих направлений развития носимой электроники. Конечно, до искусственной руки Люка Скайуокера наука еще не дошла, но успехи электроники уже налицо.

В частности, современные бионические протезы позволили расширить возможности людей с ограниченными возможностями. Функционально они максимально восполняют, к примеру, движения человеческой ноги, обеспечивают безопасность во всех фазах шага, естественность и гармоничность движений, дают пациенту ощущение уверенности на любой поверхности. В основе практически любого современного протеза лежит микропроцессор, который связан с большим количеством датчиков, расположенных по всему изделию. Сенсоры собирают информацию о наклоне поверхности и рельефе дороги, нагрузке на протез. Благодаря им центральный микропроцессор получает и обрабатывает всю необходимую информацию, в соответствии с которой и работает коленный модуль. Интеллектуальное управление протеза позволяет пользователю передвигаться в собственном удобном темпе.

Уже разработано устройство, позволяющее слепым людям видеть. «Электронные глаза» представляют собой очки со встроенными КМОП-камерами, которые фиксируют изображение, обрабатывают и преобразовывают его в матрицу сигналов управления вживленными в мозг человека электродами. С помощью сигналов электрической стимуляции, подаваемых на электроды, отображается грубый рельеф с выделением контуров предметов ближнего плана для ориентации. Данное устройство не позволяет видеть так, как видят зрячие люди, но для человека становится доступной общая схема расположения окружающих его предметов.

Немецкая компания Implandata Ophthalmic Products разработала имплант, позволяющий обеспечивать постоянный мониторинг глазного давления для контроля развития глаукомы.

Но, конечно, самым важным этапом любого протезирования является возможность управления «инородным телом» с помощью собственной нервной системы.

В настоящее время решается задача совмещения всех этих устройств с телом человека таким образом, чтобы полноценно взаимодействовать с нервной системой, поскольку органические материалы на основе углерода практически не отторгаются организмом. Правда, частицы углерода хорошо диффундируют через клеточные мембраны, что может вызывать еще не очень понимаемый специалистами иммунный ответ организма и, по неподтвержденным пока теориям, даже служить причиной возникновения опухолей. Вероятно, в ближайшие годы мы увидим, как прототипы электронных устройств на основе искусственной кожи входят в повседневную жизнь в качестве нательных датчиков, экранов и даже батарей, аккумулирующих получаемую непосредственно из человеческого тела энергию. Потом наступит время встроенных смартфонов, и люди смогут стать киборгами (если им это нужно, конечно, или, к примеру, если это будет прописано в конституции государства).

Еще дальше идут ученые, работающие над созданием технологий, превращающих все наше тело в пользовательский интерфейс, с помощью которого человек сможет управлять самыми разнообразными устройствами.

В американском агентстве DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) разрабатываются имплантаты в мозг, способные как записывать сигналы, приходящие из нервных узлов по массиву электродов, так и стимулировать другие нервные узлы в реальном времени для того, чтобы эффективно переподключить поврежденные секции мозга, что позволяет восстановить память. Около уха размещается внешнее устройство, которое может обмениваться данными с имплантатом и контролировать его работу.

Тактильные интерфейсы — лишь первый шаг по превращению нашего тела в центр управления армией устройств, облегчающих и улучшающих жизнь человека. Так, в Японии и Италии создаются устройства, позволяющие людям с ограниченными возможностями открывать дверь или отвечать на телефонный звонок буквально силой мысли. Кроме того, идут разработки микрочипов, которые будут не просто восстанавливать утраченные нейронные связи, но и создавать новые.

Уже сегодня есть пациенты, которые используют имплантированные устройства, работающие совместно с мобильным приложением для того, чтобы открывать кодовый замок или контролировать течение болезни, а то и лечить ее. В частности, бионическая поджелудочная железа, которая проходит тестирование в Бостонском университете США имеет микро-сенсор на имплантированной в тело иголке, который передает на смартфон данные об уровне сахара в крови.

Компания Stimwave Technologies разработала миниатюрное устройство-нейростимулятор для снятия болей в спине и ногах. Оно представляет собой беспроводной имплантат со встроенным чипом и электродами и вводится в организм с помощью обычной иглы.

Фонд Гейтса поддерживает проект Массачусетского технологического университета по созданию имплантируемого женского контрацептива, который можно контролировать снаружи. Это миниатюрный, встроенный в тело чип, который генерирует небольшие количества контрацептивного гормона внутри женского тела и может работать до 16 лет без перерыва. Имплантация не более болезненная, чем нанесение татуировки. Кроме того, по мнению разработчиков, «возможность включить или выключить устройство — это очень удобный инструмент для тех, кто планирует состав своей семьи». Тут главное не потерять пульт управления…

Компания Boston Scientific разработала имплантируемый нейростимулятор мозга Vercise, который предназначен для лечения людей с тремором (хроническим дрожанием). Имплантируемое устройство содержит батарею, которое может работать в течение 25 лет без замены, а сам прибор может очень точно настраиваться в соответствии с анатомией и потребностями пациента. В целом нейростимуляция активирует зоны мозга, ответственные за память, реакцию, концентрацию внимания, математические и лингвистические способности, и здесь можно ожидать еще много новостей.
Задачей европейского проекта SmartHand является создание сменной руки, которая будет настолько близка по функциям к утраченной, насколько это возможно. SmartHand — это сложный протез с четырьмя двигателями и 40 датчиками, который подключается непосредственно к нервной системе пациента. SmartHand создает ощущение призрачной руки, известное многим, потерявшим конечность. Первый пациент уже мог поднимать предметы и ощущать кончики пальцев протеза.

Smart Dust или «умная пыль» — это, возможно, самая последняя инновация в имплантологии. Представьте себе матрицу из настоящих компьютеров с антеннами, каждый из которых много меньше песчинки, которая может самоорганизовываться внутри тела в любую нужную сеть для того, чтобы обеспечить выполнение различных сложных внутренних процессов. Полчища этих микро-устройств могут атаковать ранние проявления рака или избавлять от боли в ране. Быть может, они смогут хранить важную информацию, которую трудно расшифровать или украсть. Используя «умную пыль», врачи смогут осуществлять различные действия без необходимости нарушения целостности тела — доставлять нужные лекарства в нужные места, проводить внутренние операции, осматривать внутренние органы и многое другое.

Питающая часть

Какая бы электроника не использовалась, ей нужна батарея питания. В настоящее время для этого используются миниатюрные химические элементы питания, металл-гидридные и полимерные аккумуляторы, топливные элементы, термогенераторы, пьезопреобразователи и преобразователи кинетической энергии в электрическую. А, к примеру, одной из важнейших проблем технологий имплантации является доставка питания в устройство, которое находится в теле человека, и его нельзя извлекать или подключить к электророзетке.

Исследователи Лаборатории Драпера в Кембриджском университете разработали биоразлагаемую батарею, которая способна генерировать энергию внутри тела, передавать ее беспроводным способом, если это необходимо, а затем растворяться и исчезать.

Подключенные к мозгу

В ученом мире хватает скептиков, но хватает и тех, кто с энтузиазмом принимает новые возможности человека.

Наверняка электроника в нашем теле сразу же будет использоваться и для развлечений. Возможности открываются безграничные — от создания реалистичной картинки прямо в глазу человека до реалистичных симуляций игровой реальности. Главное опять же — не утратить управление всеми этими чудо-приборами.

В скором будущем уже осуществятся и прогнозы фантастов об оружии, срабатывающем только в руках владельца. К авторизации по отпечатку пальца добавится и пароль, вшитый в ваш личный чип-идентификатор.

Подключение человеческого мозга напрямую к компьютеру — это мечта (или кошмар) любителей фантастики и чудесных изобретений. И эта мечта, похоже, близка к реализации. Исследователи из компании BrainGate при Университете Брауна в США занимаются именно этой задачей. Используя имплантированный в мозг набор электродов размером с таблетку аспирина, ученые смогли показать, что сигналы нейронов могут быть в реальном времени декодированы компьютером и использованы для управления различными устройствами. А команда исследователей из University of the Witwatersrand в Йоханнесбурге уже подключила человеческий мозг напрямую к сети Интернет в режиме реального времени. Проект называется Brainternet, что хорошо перекликается с приведенным выше. Собранные в ходе эксперимента данные должны помочь разработчикам при создании интерфейсов нового поколения.

По прогнозам компании Intel переход к практическому использованию интерфейса компьютер-мозг человека начнется еще до 2020 года. Представьте, что вы получили способность пользоваться Интернетом, используя свои мыслительные способности, что может показаться феноменальной возможностью. Остается только научиться избавляться от вирусов с хакерами и путаницы в мыслях. Возможно, кто-нибудь даже поможет вам разобраться. И не исключено, что этот «кто-то» может оказаться Большим Братом , которому очень пригодятся управляемые киборги. Таким образом, прогрессивное человечество стоит на пороге изменений, которые могут сделать мир и намного удобнее, комфортнее, и, как думают некоторые, политически грамотнее.

С другой стороны, научившись пользоваться мозгом как инструментом управления внешней, носимой и внедренной электроникой, человечество делает еще один шаг к тому, что давно создано природой. К примеру, разве не с помощью мозга мы управляем своим телом? И, может быть, не до конца поняли, что мы еще умеем?