5 проектов DARPA в биотехнологии и медицине.
Биотехнологическая компания Arteriocyte, получившая грант в размере $1,95 млн, отправила первую партию искусственной крови на утверждение в Управление по надзору за пищевыми продуктами и лекарственными препаратами США. Кровезаменитель получен с использованием гемопоэтических клеток, выделенных из пуповинной крови эмбрионов. У учёных Arteriocyte уходит три дня на то, чтобы превратить одну единицу пуповинной крови в 20 единиц донорской. Бойцу для лечения в среднем требуется 6 единиц. «Мы в основном имитируем деятельность костного мозга в лабораторных условиях, — говорит генеральный директор компании Дон Браун. — Модель работает, но нам необходимо экстраполировать наши возможности, чтобы выйти на промышленный масштаб».
Несмотря на то что DARPA задумывала проект ради компенсации кровенедостачи, г-н Браун, чья компания использует технологию, созданную в Университете Джонса Хопкинса, считает, что результаты исследования выходят далеко за эти рамки. Поскольку львиная доля донорской крови, используемой в военных целях, сдаётся на территории США, то к тому моменту, когда она попадает на поле боя, обычно проходит три недели. Срок годности донорской крови остаётся дискуссионным вопросом. Красный Крест отказывается от крови после 42 дней, но некоторые медицинские эксперты считают, что свежая кровь «портится» уже через 28 дней. Иные же видят повышенный риск инфекции и полиорганной недостаточности, если возраст крови превышает две недели. «До сих пор военные в основном ограничивались использованием старой крови», — подчёркивает Дон Браун.
Одна единица искусственной крови оценивается в $5 тыс. DARPA считает, что необходимо снизить стоимость производства хотя бы до тысячи. Практическое применение новинки ожидается не ранее 2013 года.
Сейчас в качестве кровезаменителей, основная функция которых — перенос кислорода, используются: искусственный гемоглобин, изобретение немецких фармацевтов, использующих в качестве сырья кровь коров; альбумин — созданная японскими учёными искусственная кровь на основе белковых соединений; наконец, заменитель, созданный в Швеции на основе порошка, выделенного из натуральной человеческой крови.
2. Протезы рук, управляемые силой мысли
Американские учёные из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса при поддержке Агентства перспективных оборонных исследований (DAPRA), финансируемого Пентагоном, вплотную подошли к созданию киборга - человека, некоторые части тела и органы которого заменены механизмами. Звучит пугающе, но это действительно так: на очередном этапе долгосрочной программы по высокотехнологичному протезированию в мозг человека будут встраиваться микросхемы, позволяющие управлять протезом - электромеханической рукой - силой мысли, то есть точно так же, как если бы это была обычная "живая" рука.
Это далеко не первый проект по созданию искусственных конечностей, максимально приближённых к настоящим. В частности, уже существуют протезы, команды на которые передаются электрическими сигналами через мышцы. Известен и опыт учёных Питтсбургского университета с макаками, посылавшими мысленные команды механической руке, которая очищала для них бананы.
В ходе программы, начавшейся под эгидой DAPRA в 2009 году, были разработаны два сложных прототипа, каждый из которых представлял собой протез, крепящийся к предплечью. Принципиальная новизна предстоящего эксперимента Университета Джона Хопкинса заключается в том, что впервые в мозг человека будет имплантирован нейронный интерфейс для управления искусственной конечностью.
На реализацию этой стадии проекта DARPA выделила Университету Джона Хопкинса 34,5 миллиона долларов. Пяти добровольцам предстоит испытать так называемый "Модульный протез конечности" (Modular Prosthetic Limb, MPL), весящий около 9 фунтов или 4 кг, то есть примерно столько же, сколько "настоящая" человеческая рука. Протез обладает 22 степенями свободы, включая независимые движения каждого пальца, и обратной связью, в частности, отдельными функциями осязания.
В ходе исследований учёным из Калифорнийского технологического института и Питтсбургского университета удалось разработать способ регистрации неврологических импульсов мозга при помощи микросхем с электродами, напоминающими небольшие волоски. Имплантируемые в мозг микрочипы призваны фиксировать сигналы, преобразовывать их в команды и передавать в устройство. Именно такие чипы в 2009 году были вживлены двум макакам в Питтсбургском университете. Через волоски-проводники сигналы мозга выводились из черепа, а затем компьютер преобразовывал эти сигналы в команды, выполняемые механической рукой.
Первым испытателем новой системы станет доброволец с серьёзным повреждением спинного мозга. В дальнейшем планируется, что ещё четыре пациента будут испытывать устройство в течение двух лет - пока таков максимальный срок службы микросхем. Как рассказывает менеджер программы Майкл Маклофлин, изначально проект ориентировался на пациентов с квадриплегией (то есть с повреждением шейного отдела позвоночника, приводящего к отказу всех четырёх конечностей), поскольку в случае успеха они выигрывают больше всех. В отличие от большинства людей с ампутированными конечностями, у которых есть другие возможности вести более-менее нормальную жизнь, такие пациенты в большинстве случаев полностью зависят от других и у них нет альтернативы. Благодаря исследованиям Университета Джона Хопкинса жизнь таких людей может полностью измениться.
В проекте будут принимать участие также учёные из Калифорнийского технологического института, Университета Юты и Университета Чикаго. По словам Майкла Маклофлина, для программы важен опыт специалистов из Калифорнийского технологического института и Университета Питтсбура в области интерфейсов мозг-компьютер, наработки учёных из Университета Чикаго по чувственному восприятию и разработки Университета Юты по созданию имплантируемых в тело человека устройств, способных выступать в роли интерфейсов для человеческого мозга. За постройку собственно протеза руки отвечает коллектив компании HDT Engineered Technologies.
Специалисты планируют проводить эксперименты и клинические испытания MPL с целью подтвердить возможность безопасного использования имплантируемых нейроинтерфейсов, способных эффективно управлять протезом. К первоочередным задачам проекта относится расширение возможностей осязания MPL, в частности речь идёт об ощущениях давления и прикосновения - этим будет заниматься, прежде всего, команда из Университета Чикаго. Результаты исследований помогут оптимизировать алгоритмы управления, обратной связи и осязания, которые смогут обеспечить полное и естественное владение искусственной конечностью. По словам Майкла Маклофлина, цель разработчиков заключается в том, чтобы обладатель такого протеза мог без проблем выполнять повседневные действия, например, брать со стола чашку кофе и держать её в руке.
Специалисты из компании Blackrock Microsystems совместно с учёными из Университета Юты намерены работать над перспективной технологией создания электродов для записи и стимуляции сигналов мозга. Фирма HDT Engineered Technologies будет совершенствовать конструкцию протеза.
Главная цель всего этого масштабного и дорогостоящего проекта - сделать протез, как можно меньше отличающийся от настоящей руки не только внешне, но и функционально. Однако, несмотря на громкие заявления, пока конечный продукт далёк от совершенства, и перспективы проекта MPL остаются туманными. Около трёх месяцев назад DARPA открыла новую программу по устранению недостатков существующих нейронно-протезных моделей - прежде всего, по продлению срока службы микросхем-имплантатов, без чего пациенты обречены регулярно подвергать себя серьёзному риску периодических операций на мозге.
Впрочем, Маклофлин полон оптимизма: "Результаты этой программы помогут пациентам с ампутированными верхними конечностями и повреждениями спинного мозга, а также тем, кто утратил возможности использовать собственные конечности, вести настолько нормальный образ жизни, насколько это возможно - несмотря на серьёзные увечья или дегенеративные неврологические заболевания".
3. Существа с программируемым сроком жизни
Управление перспективных исследовательских проектов (DARPA) Пентагона в рамках бюджета на 2011 финансовый год намерено выделить шесть миллиардов долларов на реализацию проекта по созданию искусственных живых существ, сообщает Wired. Предполагается, что эти организмы будут полностью подчиняться своему создателю и смогут жить практически вечно, если только не будет принято решение, что им пора умереть.
Новый проект, который планирует создать DARPA, получит название BioDesign. По заявлению управления, в проекте будут использоваться последние достижения биотехнологий, которые позволят создавать живые и способные дышать существа с «определенными биологическими качествами». Клетки искусственных организмов будут обладать сопротивляемостью процессам старения и смерти.
Информация о создателе существа будет записана в его ДНК, благодаря чему DARPA надеется избежать «перехвата» организмов противником. Таким же образом планируется реализовать полное подчинение искусственных существ. Как уточняет The Raw Story, последовательность действий синтетических организмов также будет записываться в их ДНК и впоследствии может быть расшифрована.
На случай если существо выйдет из-под контроля, DARPA намерено предусмотреть «клеточный выключатель», задействование которого приведет к немедленной смерти организма. Каким образом это планируется реализовать, пока неизвестно. Для того чтобы BioDesign увенчался успехом, DARPA намерено вложить 20 миллионов долларов в развитие синтетической биологии и 7,5 миллиона долларов в исследования по анализу и изменению генома.
Описание BioDesign можно найти на 265-й странице 522-страничного проекта бюджета DARPA на 2011 финансовый год.
4. Материал для сращивания костей конечностей
Агентство передовых оборонных исследований США (DARPA) намеревается разработать "активный материал, напоминающий шпаклевку" для лечения переломов костей. Сращивание костных тканей при открытых переломах происходит трудно и долго - пациенту требуются многочисленные операции, длительное лечение и восстановительный период.
DARPA запустила программу под названием Fracture Putty, в рамках которой исследователи займутся созданием активного материала, который при нанесении на открытый перелом или вокруг него восстанавливает несущие свойства кости уже через несколько дней. Он создает костеподобную структуру и через некоторое время, когда кость срастается, разлагается на безвредные, рассасывающиеся побочные продукты.
Если эксперимент окажется успешным, Fracture Putty позволит быстро возвращать больному двигательные функции, а нормальный процесс заживления костных тканей будет обеспечен сокращением реабилитационного периода, устранением инфекции и исключением патологических переломов. Ученым предстоит решить целый ряд технических вопросов. К примеру, им предстоит создать новые саморассасывающиеся клейкие вещества, которые смогут соединяться с костью во влажной биологической среде и будут обладать такими же механическими свойствами, как костные ткани. Специалистам также придется разработать биоматериалы, которые создают иерархическую костеподобную внутреннюю структуру, и биоматериалы, которые приспосабливаются к биохимическим стимуляторам. Важными будут и математические модели для динамически реконструированных систем с комплексными стимулами.
5. Роботехнические протезы
DARPA планирует создать робототехнические протезы, которые полностью заменят ампутированные конечности в плане подвижности, чувствительности и долговечности. Пентагон хочет в конечном итоге получить искусственные руки и ноги, которые ничем не будут отличаться от "живых", кроме материалов и принципов работы. Предполагается подключать такие протезы напрямую к нервной системе пациента, что полностью возвратит все функциональные возможности и "ощущение руки". Протез будет подключаться непосредственно к разорванным нервам и позволит владельцу иметь все тонкие тактильные ощущения, реагировать на нервные сигналы мозга, двигаться с беспрецедентной ловкостью и выносливостью.
За последнее десятилетие Пентагон добился значительного прогресса в протезировании конечностей. И большинство из успехов родились в программах, финансируемых DARPA в рамках инициативы, названной Надежный периферийный интерфейс (RPI). Специалисты агентства надеются, что новый проект поможет людям, которые стали инвалидами, полностью восстановить подвижность и качество жизни.
В настоящее время DARPA финансирует ряд аналогичных проектов, например, роботизированную руку DEKA Arm, которая соединена с нервной системой человека и позволяет выполнять тонкие операции. В университете Джона Хопкинса под руководством DARPA также проводятся испытания нового протеза, который получает сигналы от имплантированных в нервную ткань датчиков.
Однако прототипы RPI имеют ряд серьезных недостатков, которые присутствуют даже в самых сложных и дорогих протезах. Существующие нейроинтерфейсы недостаточно чувствительны и не могут обеспечить передачу большого количества сигналов – современные прототипы транслируют на бионические протезы около 500 управляющих сигналов. Также пока не удалось создать протез с достаточным количеством степеней свободы. Но, пожалуй, самый серьезный недостаток – малый срок службы, вес и необходимость хирургического вмешательства. Это ограничивает использование бионики, особенно для протезирования ампутированных конечностей военнослужащих в возрасте около 20 лет. В самых современных протезах срок службы нейроинтерфейсов до инвазивной замены не превышает двух лет.
Перспективный проект DARPA предполагает создание протеза, который будет иметь обратную связь с поврежденными ампутацией периферическими нервами. Он полностью заменит потерянную конечность, и мозг сможет "общаться" с механической рукой тем же способом и с той же эффективностью, как и с живой. Невероятно чувствительная бионическая платформа сможет обнаруживать достаточно сильные моторные сигналы управления и отличать их от сенсорных и других сигналов даже в областях с высокой плотностью нервной ткани. Протез будет выполнять команды мозга и посылать в мозг ответные сигналы о выполнении команды.
В результате пациент получит протез, который будет действовать как "родная" рука или даже более совершенный "инструмент". Протез сможет точно интерпретировать сигналы о температуре, давлении, напряжении "мышц" конечности, выверять точные движения и прилагаемую силу. В буквальном смысле человек "почувствует" механическую руку, как будто бы она стала живой.
DARPA также хочет решить проблему надежности и долговечности. Новый протез должен иметь количество отказов на уровне менее 0,1% и срок службы около 70 лет. В настоящее время оборонное агентство создало научно-исследовательский центр, который занимается изучением перспективы использования в новых протезах волоконно-оптических интерфейсов, которые могут вмещать тысячи датчиков в одной тонкой нити.
