«Охранник в продуктовом магазине рядом с нашим домом без руки. У него просто неподвижный косметический протез», – вздыхает Диана Гафурова. Она мечтает подарить ему первый протез, сделанный для широкого потребителя по её собственной технологии. Школьница изобрела механизм, способный заменить кисть.

Когда, казалось бы, нет шансов

Астраханская десятиклассница разрабатывает проект, который позволит людям, потерявшим конечность, жить полноценной жизнью. Она создаёт протез кисти с возможностью управления через нейроинтерфейс Neurosky MindWave. Ничего подобного в мире не существует.

Самые совершенные по функционалу протезы – миографические – работают от активных волокон мышц, сохранившихся после потери кисти. Они просто повторяют импульсы мышц: в травмированную конечность вживляют магниты и датчики, считывающие мышечную активность.

Если нервных окончаний не осталось, а такое случается часто, все преимущества существующей технологии сводятся к нулю. Установка протеза становится невозможной. И тогда на помощь приходит разработка 16-летней учёной.

- Наш протез работает от импульсов мозга. Технология намного сложнее, поэтому она не насколько развита, – объясняет Диана.

Для установки нейрогарнитуры оперативное вмешательство не требуется. Предполагаемая стоимость астраханской инновации – в среднем от 50 до 70 000 рублей в зависимости от материалов, размеров и функций. Тогда как миографический протез стоит от 500 000 рублей.

Рендер за рендером

Диана Гафурова учится в ШОД имени Гужвина и параллельно занимается в отделе «Кванториум» Регионального школьного технопарка. Направление – «Нанотехнологии», научный руководитель Сергей Лисицын. Проекту в сентябре 2021 года исполнился ровно год.

- Но идея появилась давно, – продолжает Диана. – Просто тогда я была на начальном уровне прохождения учебных модулей.

Талантливая астраханка пришла в «Кванториум» ещё в 7-м классе. Как только появилась возможность заниматься собственными разработками, Диана приступила к созданию рендеров (визуальных моделей) в программах для 3D-моделирования и написанию программы для мозгового интерфейса. А потом долго объединяла два компонента – внешний вид и функционал будущего инновационного протеза.

- Сначала мы сделали протез с шарнирной системой сгибания и разгибания пальцев, – объясняет Диана. – Но, распечатав пробный палец, поняли, что создаётся дополнительное трение, и сервопривод – то, что помогает пальцам двигаться, – не справляется. Мы заменили систему сгиба на тяговую и увеличили массу самого сервопривода. Получилась хорошая двигательная система. Но в новом прототипе мы возвращаемся к шарнирному механизму – он всё-таки надежнее. Просто сервопривод будет свой у каждого пальца.

Выжили ли дафнии

Следующий этап – проверка материалов на токсичность и биосовместимость. Было 12 претендентов: три вида стали, а также различные пластики. Всего – 36 колб: на одну колбу – один образец, для чистоты эксперимента на каждый материал – по три колбы, плюс – контрольная группа без образцов вообще. В ёмкости Диана подсадила лабораторных дафний вида Manga Straus (они признаны международным тест-объектом на токсичность) и поместила климатостат (дафнии живут только при температуре 24-26 градусов).

На протяжении десяти дней Диана фиксировала количество живых организмов в колбах и кормила дафний специальными водорослями. В итоге выявилось три фаворита: хирургическая сталь и два пластика – FLEX и ABS. Они используются для 3D-печати. Победил ABS.

На данный момент Диана Гафурова «учит» пальцы протеза двигаться по отдельности, подобно настоящей руке. Исследовательница предположила, что за конкретный палец отвечает своя зона головного мозга. Если определить её с помощью электроэнцефалограммы (графическая регистрация импульсов), наноинтерфейс сможет считывать зону, которая должна активироваться при движении. Соответственно, пальцы станут двигаться, буквально, силой мысли. Вновь – эксперименты.

- Сажаем человека, на нём – энцефалографический шлем, и человек поочередно двигает пальцами: сначала проделывает это физически, а потом представляет мысленно. Если активируемые зоны совпадают, значит, мы нашли то, что искали.

По предварительным результатам, большой, указательный и средний пальцы – это лобная зона, мизинец и безымянный – в районе теменной.

«Работы – ещё года на три»

За спиной у Дианы и её научного руководителя – несколько прототипов. Из них два – самые удачные.

- Ещё мы работали над тем, чтобы максимально безопасно и удобно для пользователей расположить всю электронную часть. Теперь плата с программой, блютуз-адаптеры нейроинтерфейса и сервоприводы вместе с блоком питания находится внутри протеза и отделены от руки, – рассуждает юная учёная.

Кроме того, актуальная версия протеза подходит даже для короткой культи – вплоть до локтя и чуть выше. Диана надеется, что в обозримом будущем (как минимум через 2,5 года) всё будет отлажено и стартует апробация изобретения на пользователях.

Результатами проектной деятельности Дианы Гафуровой стало успешное участие во всероссийских и международных научно-технических конкурсах. Среди достижений в 2021 году: победитель регионального этапа Всероссийского конкурса научно-технологических проектов «Большие вызовы», победитель Международного фестиваля детского и молодежного научно-технического творчества «От Винта!», призёр XII Международного конкурса научно-технических работ школьников старших классов «Учёные будущего».

Также целый месяц астраханка обучалась в известном на всю страну образовательном центре поддержки одарённых детей «Сириус» (Сочи) – на самой крупной смене «Большие вызовы».

Приглашение из «Сколково»

Одноклассники Дианы Гафуровой не без гордости заявляют: «Мы дружим с той, которая разрабатывает протезы». Рады успехам и в семье, старшие помогают с подачей заявок в случае, когда к участию в конкурсе допускаются только разработчики от 18 лет.

Вуз юная изобретательница, скорее всего, выберет в соответствии с нынешними научными интересами – например, факультет физики и нанотехнологий Академического университета имени Жореса Алферова в Санкт-Петербурге.

А уже сейчас Диане предложили стать резидентом «Сколково». Взрослые инноваторы и светила науки относятся к начинающей коллеге серьёзно.

- Приятно, что со мной общаются на равных, хвалят за то, что я подняла такую важную для общества проблематику.

Нежный возраст – не помеха, когда горишь важной и доброй идеей.