Пункт 1:
В первую очередь, задачей нашей команды является создание прототипа бионического протеза
руки с улучшенным функционалом и большей интуитивностью использования любым из
пользователей. Что мы подразумеваем под этими двумя критериями? Дело в том, что современные
коммерчески доступные бионические протезы работает по одному и тому же принципу: с помощью
пары (или нескольких пар) мышечных сенсоров считываютcя показатели активности двух
антагонистических мышц (к примеру, нижнее и верхнее предплечье) [1]. При сокращении одной из
мышц, электрическое напряжение из этой мышцы считывается одним сенсором; при сокращении
другой - другим сенсором. Такой простой механизм контроля движений протеза является хоть и
надежным, но очень ограниченным в плане диапазона запрограммированных движений и
гибкости функционала устройства. Другими словами, не имея возможности как-то различать
(классифицировать) один мышечный сигнал от другого, исходя не просто из его "наличия", а какихто статистических характеристик , - мы лишаемся возможности встраивать в устройство все больше
и больше различных механических движений (т.е., разные хваты, повороты кисти итд.), при этом не
увеличивая количество новых сенсоров. Эту возможность нам дает ИИ или машинное обучение, на
котором мы и собираемся создать наш бионический протез.
Как можно увидеть из опроса [2], 92% людей пользовались бионическим протезом на основе
простого алгоритма, описанного ранее. Среди них 44% людей отказались от дальнейшего
использования, где половина ссылалась на малую функциональность устройства. Другой
проблемой, с которой сталкиваются все люди, нуждающиеся в протезе руки - их неоправданно
высокая цена. Особенно для людей из Казахстана. Так как бионические протезы не производятся
ни одной отечественной компанией, а закупаются из Российской компании "Моторика", их цены в
переводе на Казахстанские тенге варьируются в диапазоне от 1 359 425 до 33 716 760 [3]. Достичь
более низкой цены протеза уже на ИИ - и является нашей целью.
Пункт 2:
Мотивация заняться решением данной проблемы изначально возникла из технического и научного
интереса в области Биомедицинской и Реабилитационной Инженерии. Протезы рук начали
производить еще в 1960х годах. Тогда как первые варианты были лишь косметического характера,
второе поколение протезов работало на механической тяги, а уже третье - на основе электрических
сигналов. С момента первого появления электрических (бионических) протезов прошло довольно
много времени, но сложность и изящность алгоритма, лежащего в основе управления устройства,
почти не изменилась; тогда как цены сильно выросли. Нашей команде - как команде электрических
инженеров и программистов - видится возможным и выполнимым усовершенствование данного
алгоритма, используя последние разработки в области машинного обучения. Уже существуют два
протеза, основанных на ИИ, которые были разработаны американскими исследователями и
успешно вышли на рынок. Однако, их цена превышает отметку в 100 тысяч долларов [4].
Судить насколько оправданна стоимость того или иного протеза мы можем, имея уже достаточно
большой опыт в этой сфере. Данный вопрос является темой научного исследования при Назарбаев
Университете капитана команды - Жакып Данияра. Исследование продолжается уже более
полутора лет и за это время с командой было произведено два прототипа бионических протезов в
рамках конкурсов NURIS Bootcamp и NURIS Hardware Challenge. Физические прототипы были
разработаны на основе того популярного и простого алгоритма, описанного ранее, - что и
позволяет нам отметить основные его недостатки и возможности улучшения. Для этого, наша
команда уже занялась непосредственно созданием модели, основанной на машинном обучении в
средах разработки MATLAB и Python. Мы планируем собрать расширенную базу данных из разных
мышечных сигналов, относящихся к определенным движениям рук, для того, чтобы в
последующим обучить нашу ИИ модель.
Пункт 3:
Исходя из того, что было сказано выше, проблема будет решаться поэтапно. Сначала
представляется правильным создать модель и проверить ее эффективность на основе множества
симуляций в средах разработки, упомянутых ранее. Далее, мы планируем начать работать
непосредственно с сенсорами мышечных сигналов для того, чтобы начать записывать их в разных
положениях и ситуациях, а после сохранять в единой базе данных. Так, мы подготовим скелет, на
котором будет обучаться наша разработанная ИИ модель. Наша конечная цель - реализовать
модель на микропроцессоре (микроконтроллере), способном классифицировать различные
мышечные сигналы в определенные движения протеза в рамках запрограммированного алгоритма
на машинном обучении.
Благодаря созданию такого прототипа, наша команда может стать первым отечественным
производителем бионических протезов на основе ИИ. Общая доля доходов будет зависеть от
заказа государства, кому мы хотим поставлять наши протезы. Ссылаясь на последние данные,
только в 2017 годы, госзаказ на протезы составил более одного миллиарда тенге. Общее
произведенное количество протезов за тот год составило 1636 единиц [3]. Опираясь на наш
прошлый опыт в разработке похожих прототипов протеза, себестоимость нашего варианта составит
около 150-200 тысяч тенге; а продавать государству мы планируем за 750-800 тысяч тенге. Маржа
одной единицы составит примерно 600 тысяч тенге. Беря за основу средний ежегодный показатель
госзаказа - как не менее 1000 единиц, мы получаем 600 миллионов тенге чистой прибыли. Конечно,
ни одна организация не начнет свой путь с поставки 1000 единиц с первого же года; да и еще такого
технически сложного продукта, как бионический протез - но со временем я думаю возможно
нарастить необходимое (не обязательно 1000) количество поставок будучи одним из
производителей, специализирующемся на биопротезах на основе ИИ.
Пункт 4: Благополучатели
Ссылки на источники из Пункта 1:
[1] W. Williams, "Bionic Hands: Finding the Right Myoelectric Control System | Bionics For Everyone",
Bionicsforeveryone.com, 2021.Available: https://bionicsforeveryone.com/bionic-hands-finding-theright-myoelectric-control-system/
[2] Stefan Salminger, Heiko Stino, Lukas H. Pichler, Clemens Gstoettner, Agnes Sturma , Johannes A. Mayer
, Michael Szivak & Oskar C. Aszmann (2020): Current rates of prosthetic usage in upper-limb amputees –
have innovations had an impact on device acceptance?, Disability and Rehabilitation.
[3] Лукьянчиков, Р. (no date) Хочу механическую руку. Как в казахстане протезируют инвалидов и с
какими проблемами они сталкиваются?, informburo. Available at: https://informburo.kz/stati/hochumehanicheskuyu-ruku-kak-v-kazahstane-proteziruyut-invalidov-i-s-kakimi-problemami-onistalkivayutsya.html.
В самую первую очередь, наш проект стремится решить проблему людей, которые либо родились,
либо по несчастливой случайности лишись одной из своих верхних конечностей. Помимо наших в
главных получателей в лице людей с ограниченными возможностями, пользу получит все научное
и инженерное сообщество не только нашей страны, но и всего СНГ. Создав первый прототип
бионического протеза на основе ИИ, сфера Биомедицинской и Реабилитационной Инженерии
начнет привлекать все больше и больше специалистов из различных областей (т.е., электрические,
механические инженеры, программисты, медики итд.) для усовершенствования устройства.
Запущенный процесс может повлечь за собой еще бОльший всплеск научных и технологических
открытий в нашей стране. В итоге, пользу получат различные ортопедические центры, центры
реабилитации, государственные и частные больницы; а самое главное: наш проект поможет
государству, который начнет закупать эти протезы (хотя бы их часть) у отечественных
производителей за более низкую цену без проблем с транспортировками, налогами на импорт итд..
Пункт 5: Клиенты
Ссылка на источник из Пункта 2:
[4] A. Calado, F. Soares and D. Matos, "A Review on Commercially Available Anthropomorphic Myoelectric
Prosthetic Hands, Pattern-Recognition-Based Microcontrollers and sEMG Sensors used for Prosthetic
Control", Ieeexplore.ieee.org, 2019.
На конкурсе от NURIS,где мы создали наш первый рабочий прототип бионической руки, одним из
гостей, первым протестировавшим работу нашего устройства, был человек с ампутированной
правой рукой по имени Сергей Кощелев. Все другие люди, нуждающиеся в протезах, которых мы
видели в Интернете, были схожи с Сергеем в некоторых вещах. Все они были довольно молодого
возраста (15 – 40 лет), большинство из которых либо не знало вообще ни о каком существовании
«рынка» бионических протезов, либо просто не могли себе его позволить. Как нам рассказал сам
Сергей, свой первый бионический протез, собранный в Караганде, он получил при помощи
государства. Так как протез был совсем не лучшего качества, он почти сразу же вышел из строя – то
ли сгорела проводка, то ли что-то еще. Второй протез, который носит Сергей по сей день, механический, или тяговый. Его Сергей приобрел аж за 800,000 тг с 50%-ной финансовой помощью
от государства. Первыми проблемами, связанными с последним протезом, являются его привычка
мараться, так как цвет протеза – телесный. Второе – место крепления протеза на ампутированную
конечность постоянно потеет, что мешает его долго носить даже дома. Ну и самое главное,
механический протез – это даже не самый простой бионический протез: количество движений,
которые можно им выполнить обычно сводится к двум или трем. Так, некоторые действия просто
недоступны Сергею на сегодняшний день: начиная с держания ручки и печатания на клавиатуре, и
заканчивая завязыванием шнурков на кроссовках.
Путем создания многофункционального и адаптивного устройства, мы хотим утолить боль многих
пользователей бионических протез – а именно дать им возможность совершать широкий спектр
действий, доступный людям без ампутации.
Пункт 6: Каналы маркетинга
Как уже было сказано выше, в большинстве случаев мы надеемся на заказ от государства, который
должен будет рьяно поддерживаться и Министерством Образования, и Министерством
Здравоохранения, и Министерством Труда и Социальной Защиты населения РК. Помимо
государства, у нас есть идея выходить на различные благотворительные фонды помощи людям с
ограниченными возможностями - так мы можем предложить свою специализированную помощь
в протезировании благополучателей фонда. Можно также договариваться с клиниками, которые
проводят операции по ампутации верхний конечностей, для того, чтобы помочь пациенту легче
пережить потерю; и начать сразу привыкать пользоваться протезом сразу - а не через 10 лет, когда
и без него уже нормально.
Пункт 7: Партнеры проекта
С получением финансирования для проекта мы уже обращались в Министерство Образования и
Министерство Обеспечения Труда и Социальной Защиты, написав и отправив письмо.
Окончательного ответа пока не пришло, но недавно пришло сообщение, что письмо находится в
процессе рассмотрения депутатами. Как мы считаем и всегда считали, в данном вопросе, самым
нашим крупным спонсором и заказчиком может стать только государство, хотя мы не исключаем
возможности появления какого-нибудь мецената или главы общественного фонда, который
захочет закупать эти протезы напрямую у нас. Все же, грант от научной, социальной организации
или государства – наш основной потенциальный источник финансирования.
Идея пилота
Конечно, 1 миллион тенге – недостаточная сумма для организации полномасштабного
производства наших бионических прототипов. Однако, данная сумма даст ощутимый толчок для
возможности усовершенствования прошлого прототипа и реализации продукта на основе
алгоритмов машинного обучения. Эта сумма понадобится, чтобы создать первый в Казахстане и СНГ
прототип «умного» протеза, который будет протестирован и вручен одному из людей с
ампутированной верхней конечностью. На самом деле, первоначальной идей была именно эта
задумка – создать бионический протез индивидуально для определенного человека за свой счет, а
уже потом просить финансирование от государства для организации производства. Поэтому,
первым делом мы будет работать над технологической составляющей протеза, то есть разработкой
системы контроля, электроники и физического дизайна руки. Создав уникальный алгоритм, можно
будет его запатентовать и начать масштабный выпуск протезов, основанных на данном алгоритме..
Индкаторы успешности
Оценка функциональности протеза, характеризуемая количеством успешно запрограммированных
движений - 8 шт
Увеличение количества грантов, выделяемых на разработку медицинских устройств и средств
реабилитации – 10%
Снижение себестоимости устройства без ущерба для функционала для установления более низкой
рыночной цены – 20%
Создание и тестирование модели машинного обучения в режиме симуляций
Имплементация модели на встроенное физическое устройство и тестирование в режиме реального
времени
Hабота с клиентом: идентификация степени поражения мышц ампутированной конечности,
регистрация и сбор мышечных сигналов
Обработка данных, подготовка базы данных для тренировки ИИ модели
Тренировка и калибровка ИИ модели на основе индивидуальных особенностей пользователя
Тестирование пользователем работу устройства в режиме реального времени и конечная
калибровка модели
Печать и сбор корпуса, улучшение эргономики
Экологичность вашего товара, продукта, услуги
Экологичность нашего товара заключается в том, что сам корпус протеза будет печататься на 3Д
принтере из биоразлагаемого пластика. Экологический аспект уже был предусмотрен многими
компаниями на западе, которые перешли к печатанию корпусов из биоразлагаемых материалов.
Соответственно, производство продукта не должно нанести существенного урона экологии нашей
страны.
Вторым возможным улучшением будет способ утилизации данных протезов. Зачастую, срок
службы протезов из-за изнашивания корпуса составляет порядка 3-х лет, после чего корпус
обновляется в месте, где протез был приобретен. Так, мы можем избежать собственноручного
выброса людьми своих изношенных протезов, и вместо этого утилизировать их самостоятельно.
Новый корпус будет перепачатан из того же биоразлагаемового материала.
Экологичные методы, подходы и ресурсы в процессе реализации Проекта
Из пункта выше понятно, что продукт будет производится из экологичного материала, а вопрос
экологичной утилизации будет решен путем предоставления услуг по обновлению корпуса
устройства. Помимо этого, при сборке протеза можно сделать выбор в пользу еще нескольких
экологичных материалов: например, использовать биоразлагаемые чипы и прочую электронику.
Экологически благоприятная среда для благополучателей
Планируется проводить консультацию и обучение по использованию протезов для людей в
помещении, отдельном и отдаленном от цеха, где эти протезы производятся. Поэтому избежать
какого-либо экологического вреда для благополучателей не является чем-то трудным.
География реализации
Пилот будет реализовываться в Казахстане, в городе Нур-Султан, при Назарбаев Университете.
Разработка программного обеспечения для устройства будет проводиться на стационарных
компьютерах лабораторий блока С4. Сбор корпуса и всей электроники будет осуществлен в стенах
мастерской FabLab, оснащенной 3Д принтерами, паяльными станциями и другим необходимым
оборудованием.