История технических инноваций

В 2005 г. появился пылесос-робот второго поколения Sensor Cruiser от Siemens. В отличие от роботов первого поколения этот аппарат не прекращает уборку при заполнении своего пылесборника. Он знает, когда нужно остановиться, и по маршруту, прокладываемому инфракрасным лучом, легко находит базовую станцию, самостоятельно стыкуется с ней и сбрасывает собранную пыль в большой пылесборник-накопитель.

Так, за сто лет своей истории пылесос из неуклюжего фырчащего монстра превратился в элегантного робота, самостоятельно управляющегося с уборкой дома.

Следующий бытовой прибор, без которого просто немыслима наша жизнь, был официально зарегистрирован американцем Муром в 1856 году. Прибор предоставлял из себя деревянный ящик с подвижной рамой. В ящик складывалось белье, затем его до половины заполняли деревянными шариками и заливали моющим раствором. Затем раму двигали вверх-вниз, заставляя шарики кататься по всему белью. Таким образом создавалось трение, и белье очищалось. Сами шарики затем мылись вручную. Это была прабабушка нынешней стиральной машины.



Как только возник институт патентования изобретений, сразу же началась регистрация устройств, облегчающих стирку. В 1797 г. было создано первое такое приспособление - стиральная доска. А в 1851 г. американец Джеймс Кинг запатентовал стиральную машину с вращающимся барабаном, сохранившимся и в современных машинах. Только привод у его машины был, конечно же, ручным.

Рис. 1 Одна из первых стиральных машин. США, XIX век.

К 1875 г. только в Америке было зарегистрировано более 2000 патентов на устройства для стирки. Вот тут мы и имеем самый наглядный пример естественного отбора среди технических идей и устройств. Не все идеи были жизнеспособными и получили дальнейшее развитие. Машина, которая за одну стирку обрабатывала только один предмет одежды, сразу проигрывала своим конкурентам и шансов на жизнь не имела.

Зато машина, которую построил некий золотоискатель в Калифорнии в 1851 г., за один «замес» могла выстирать целую дюжину рубашек. Для ее работы требовалось запрячь десять мулов. Это был первый в истории платный стиральный агрегат. Наличие большого числа сосредоточенных в одном месте холостых мужчин просто обрекало идею общественной прачечной на удачу. Таким образом, стиральные машины достаточно долго развивались как большие агрегаты для общественного пользования

Вплоть до конца XIX века машины для стирки в основном приводились в движение мускульной силой человека или животных. Такой была и машина Уильяма Блэкстона, которую этот житель штата Индиана в 1874 г. преподнес в подарок жене на день рождения. Мистер Блэкстон был не только заботливым мужем, но и истинным коммерсантом, он наладил производство и продажу своих машин всего по 2,5 доллара за штуку. Изобретение Блэкстона вошло в историю как первая бытовая стиральная машина и как первая серийно выпускавшаяся в продажу, потому что еще много мужей могло за такие небольшие деньги облегчить труд своих жен. Основанная Блэкстоном компания по сей день производит стиральные машины. Правда, мулы или лошади таким машинам больше не нужны.

Революцией в развитии стиральных машин стало применение мотора: на первых порах это был бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Но поставить дома такую машину нельзя. Поэтому машина окончательно стала «домашней» только после обретения электродвигателя. Одной из первых стиральных машин с электрическим приводом была машина «Thor», которую примерно в 1908 г. выпустила компания «Hurley Machine Company» из Чикаго. Изобретатель машины Алва Фишер вошел в историю как создатель нового класса электробытовой техники.

Машина имела деревянный барабан, который совершал по восемь вращений то в одну, то в другую сторону. Для того чтобы привести механизм вращения барабана в сцепление с валом электродвигателя, в нижней части машины имелся рычаг.

Но подлинный отсчет эры стиральных машин начинается с их серийного производства. В 1900 году немецкая фирма MIELE&CIE, производившая молочные сепараторы, начала делать маслобойки - деревянные кадки с вращающимися от ручного привода лопастями. Тогда же основатель фирмы Карл Миле пришел к гениально простой идее - слегка доработать эту конструкцию и приспособить ее для стирки белья. Стиральные машины, сегодня пренебрежительно называемые «ведро с мотором», стали пользоваться неожиданно высоким спросом, а изобретенный принцип работы машины до сих пор остается единственным и для современных машин. Идея была подхвачена другими, и деревянные стиральные машины стали выпускать разные европейские фирмы.

Когда в начале 20 века в Россию завезли партию немецких стиральных машин, смекалистые русские быстро приспособили их… обратно под маслобойки. Партия была моментально раскуплена, но белье продолжали стирать руками.

Техническая эволюция стиральных машин сопровождалась и их эстетическим совершенствованием. «Гадкий утенок» начала ХХ века с открытыми приводными механизмами превратился в элегантный электробытовой прибор, не только выполняющий широкий набор функций, но и украшающий собой жилище. Кроме инженеров над этими изделиями работали еще и дизайнеры. Иначе и не могло быть: ведь в течение века стиральная машина стала прибором, изменившим сам стиль жизни современного общества.

Американские социологи отмечают, что появление в 1920-х годах бытовой стиральной машины «вернуло стирку в дом». До этого момента машинная стирка уже существовала, но в виде общественных прачечных, куда хозяйки сдавали белье. Появление доступной по цене и достаточно компактной для размещения в квартире стиральной машины сделало американскую женщину из потребителя услуг (в данном случае - услуг прачечной) потребителем технологичного товара, что способствовало быстрому росту соответствующей промышленности.

Изменилась и структура занятости женщин: за десятилетие с 1910 по 1920 г. число домашней прислуги в США уменьшилось на 400 тысяч человек. Появление электробытовых приборов (а к 1925 г. уже 53,2% жилищ в США были электрифицированы), и в первую очередь стиральных машин, позволило избавиться от ручной стирки и услуг прачек. К 1926 г. в Америке было продано 900 000 стиральных машин по средней цене 150 долларов за штуку, а к 1935 г. парк машин достиг 1,4 миллиона единиц при средней цене машины 60 долларов.

Таким образом, мы видим, что техническое устройство, предназначенное всего лишь для решения чисто бытовой проблемы облегчения стирки белья, определило гибель целой отрасли услуг и стимулировало развитие высокотехнологичной промышленности.

На примере стиральных машин очень наглядно проявляются два качественных изменения в истории развития всей бытовой техники.

Первый из них связан с электрификацией жилищ. Это позволило избавиться, наконец, от необходимости что-то там крутить вручную или дышать выхлопами двигателя внутреннего сгорания. Представим на минуту, что пылесос, стиральная машина, соковыжималка, холодильник и мясорубка имеют двигатели внутреннего сгорания. В этом случае жить в доме можно только в противогазе.

Второй качественный скачок произошел с появлением электроники, в чем мы могли убедиться на примере развития пылесосов. Техника «умнеет» и требует все меньшего вмешательства со стороны хозяина.

Со стиральными машинами также произошли огромные изменения.

В 1978 году создана стиральная машина с системой управления на основе микропроцессора. Современная машина имеет тысячи режимов стирки, умеет даже самостоятельно распознавать тип белья и подбирать соответствующий режим, диагностировать собственные неполадки, например, протечку шлангов и принимать соответствующие меры - перекрыть воду и подать сигнал тревоги хозяину или сразу в сервисный центр.

Несомненно, что в XXI веке стиральные машины достойно интегрируются во внутриквартирную сеть бытовых приборов «интеллектуального дома», когда все устройства и системы обслуживания жилья будут управляться одним электронным «мозгом».

В эту же систему будут включены менее заметные, но тоже очень полезные, а порой и необходимые помощники: тренажеры, термометры, тонометры, фены, утюги, электробритвы и т.п.

Одним из важных направлений работы такого интеллектуального дома будет энергосбережение. Умный дом уже сегодня выключает свет в комнате после ухода хозяина, уменьшает отопление или охлаждение помещений, куда долго никто не заходит и т.п. Есть проекты дома, поворачивающегося вслед за солнцем, аккумулирующего излишнюю тепловую энергию, чтобы в холодное время ее использовать для поддержания комфортной температуры.

Несомненно, что такая умная начинка будет пользоваться все более возрастающим спросом. Это означает, что промышленность получит новое поле деятельности, на котором появятся новые герои: изобретатели, предприниматели и продавцы. Они обретут славу и богатство. Может это будет кто-то из читателей этой книги? Очень хотелось бы надеяться. Тогда в таблице истории бытовой техники появится первая строка, где будет обозначена Россия.

Темы для докладов и рефератов

Технические инновации в сфере торговли за последние 20 лет.

Простые опыты с пылесосом.

Физические законы в домашнем утюге.

История развития стиральных машин.

История бытового холодильника.

Энергосбережение - главное требование к бытовой технике будущего.

Дискуссии

Современная бытовая техника - эффективная помощь или новые проблемы?

Разумный дом.

Литература

Журнал «Вокруг света». №10. 2007.

www.loreleya.com/ukrshops/

Сайт журнала «Наука и жизнь» - www.nkj.ru

http://www.irvispress.ru/cgi/index/review/wash/history - взгляд в историю.

4.3 Медицина

Мы изменили свое окружение так радикально, что теперь должны изменить себя, чтобы жить в этом новом окружении.

Норберт Винер

Время, место	Событие
400 л. д.н.э., Древняя Греция	Гиппократ в качестве шприца применил полую трубку, к концу которой был прикреплен мочевой пузырь свиньи
1853 г., Франция-Шотландия	Александр Вуд и Шарль Габриель Праваз изобрели шприц в его современном виде
1895 г., 8 ноября, Германия	Конрад Рентген открыл новый вид излучения
1912 г., Австрия	Александр Бэм изобрел эхолот
1918 г., Россия	Создана первая рентгенологическая клиника
1918 г., Россия	В Санкт-Петербурге был открыт первый рентген стоматологический кабинет
1928 г., СССР	С.Я. Соколов создал основу современной ультразвуковой дефектоскопии
1929 г., Австрия	Открытие психиатром Х. Бергером колебаний электромагнитного поля на поверхности черепа привело к созданию электроэнцефалографии (ЭЭГ) - метода изучения мозга, основанного на регистрации и анализе биотоков
1937 г., США	Карл Дуссик с братом Фридрихом сделал попытку диагностировать опухоли мозга с помощью ультразвука
1946 г., США	Ф. Блохом и Э.М. Парселлом открыт эффект ядерного магнитного резонанса
1952 г., США	В Дуглас Хаури при помощи морских эхолокаторов создал систему, позволяющую изучать человека
1960 г., СССР	В.А. Иванов предложил способ и устройство магнито-резонансного томографа, что удостоверено патентом СССР
2003 г., Великобритания	Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили Нобелевскую премию в области медицины за изобретение метода магнитно-резонансной томографии

Одна из главных качественных характеристик человека, больше всего влияющих на качество его жизни, - это его физическое здоровье. Неудивительно, что медицина возникла одновременно с возникновением человека. Человек всегда искал средства для продления жизни и излечения от болезней. Именно поэтому любые, вновь появившиеся средства человек сразу же пытается применить в двух взаимно противоположных сферах: в военной, для выведения человека из строя; и в медицине, для его лечения.

Если обратить внимание на наскальные рисунки в пещерах на местах стоянки первобытных людей, то ясно видно, что охота, различные военные сражения приводили к травмам и ранениям. Конечно, этих людей пытались лечить - вправить кость, извлечь стрелу и т.п. Наверное, для этого были созданы какие-то примитивные технические средства.

Но техника медленно, но верно развивается, а с ней и медицина. Уже 2400 лет назад «отец медицины», древнегреческий врач Гиппократ придумал прототип шприца - неизменного инструмента любого врача. В качестве шприца он применил полую трубку, к концу которой был прикреплен мочевой пузырь свиньи.

А в 1648 году французский философ, математик и физик Блез Паскаль, изучая особенности поведения жидкости под давлением, попутно изобрел устройство, выполняющее функции шприца. Устройство выглядело весьма устрашающе и представляло конструкцию из пресса и иглы. Наверное, именно тогда зародился генетический страх детей перед уколами.

В современном виде шприц был изобретён лишь в 1853 году. Его практически одновременно сконструировали сразу два человека, работавших независимо друг от друга: шотландец Александр Вуд и француз Шарль Габриель Праваз. А название изобретения Вуда и Праваза происходит от немецкого слова «spritzen», что означает «впрыскивать, брызгать».

В наше время стремительного научно-технического прогресса медицинская техника также быстро развивается. Современное медицинское учреждение просто напичкано самой современной, «наукоемкой» техникой, используемой для профилактики, диагностики, лечения заболеваний, реабилитации, проведения санитарно-гигиенических и противоэпидемических мероприятий, а также работ по приготовлению лекарств. Только перечисление всей используемой техники, от термометра, шприца и автоклава для стерилизации инструментов до магниторезонансных томографов и медицинских ускорителей элементарных частиц, потребует нескольких страниц.

Мы же остановимся только на некоторых изобретениях и открытиях, оказавших наибольшее влияние на развитие медицины.

И первое место, здесь конечно же, принадлежит рентгеновской установке.

Рентгеновские лучи

Телевизионная компания ВВС составляла рейтинг важнейших научных изобретений всех времен. На первом месте с огромным отрывом оказалось открытие и использование рентгеновского излучения. Из почти 50 тысяч участников голосования, организованного сотрудниками лондонского Музея науки, 10 тысяч сочли, что именно рентген оказал наибольшее влияние на прошлое, настоящее и будущее человечества, ведь он впервые позволил заглянуть внутрь объектов, не нарушив их структуры, и проникнуть в человеческое тело без проведения операции.

Действительно, рентген способствовал развитию многих сфер человеческой деятельности: рентгеноастрономия позволила нам узнать много нового о Вселенной; рентгеноструктурный анализ позволил сделать революционное открытие в биологии, практические последствия которого грандиозны, - это построение пространственной модели ДНК. Это открытие начинает кардинально изменять фармакологию, дает много информации о происхождении и распространении человека.

Но даже без этих заслуг открытие и использование рентгеновского излучения можно смело поставить на первое место только за те революционные изменения, которые оно принесло в медицину. Благодаря рентгену спасены миллионы человеческих жизней, а миллиарды людей избавлены от боли и инвалидности.

Даже страшно представить, какими методами пользовались для определения местоположения осколков и пуль в теле раненого солдата в дорентгеновскую эпоху. Главным диагностическим инструментом был… тонкий металлический щуп, который последовательно вводили в мягкие ткани до тех пор, пока не натыкались на искомый осколок.

Изобретатель рентгена, немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, будучи руководителем физического отделения Вюрцбургского университета, допоздна засиживался в лаборатории, когда его ассистенты уходили домой. Как обычно, однажды он включил ток в катодной трубке, плотно закрытой со всех сторон чёрной бумагой. Кристаллы платиноцианистого бария, лежавшие неподалёку, начали светиться зеленоватым светом. Учёный выключил ток - свечение кристаллов прекратилось. При повторной подаче напряжения на катодную трубку, свечение в кристаллах возобновилось. В результате дальнейших исследований учёный пришёл к выводу, что из трубки исходит неизвестное излучение, названное им впоследствии икс-лучами. Эксперименты Рентгена показали, что икс-лучи возникают в месте столкновения катодных лучей с преградой внутри катодной трубки.

«В знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей», названных впоследствии в его честь, Рентген Вильгельм Конрад стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике, присуждённой ему в 1901 году.

Причиной применения рентгеновского излучения в диагностике послужила их высокая проникающая способность. В первое время после открытия, рентгеновское излучение использовалось, по большей части, для исследования переломов костей и определения местоположения инородных предметов в теле человека. В России первая рентгенологическая клиника была создана в 1918 году. А в 1921 году в Санкт-Петербурге был открыт первый рентгенстоматологический кабинет.

В настоящее время применяют несколько методов диагностики с помощью рентгеновских лучей (рентгенодиагностика).

Рентгенография (Радиография рентгеновских лучей). Это метод исследования с помощью рентгеновских лучей, в ходе которого изображение записывается на фотографическую пленку. Фотографии делаются обычно в двух перпендикулярных плоскостях. Эти фотографии могут использоваться для дальнейшего анализа.

Рентгеноскопия. Рентгеновский прибор состоит из источника рентгеновских лучей (рентгеновской трубки) и флуоресцирующего экрана. После прохождения рентгеновских лучей через тело пациента врач наблюдает теневое его изображение. Этот метод дает возможность изучить функциональное состояние некоторых органов. Например, врач непосредственно может пронаблюдать движения легких, прохождение контрастного вещества по желудочно-кишечному тракту. Недостатки этого метода - недостаточно контрастные изображения и сравнительно большие дозы излучения, получаемые пациентом во время процедуры. Для защиты врача от вредного действия рентгеновских лучей между экраном и глазами врача устанавливается свинцовое окно.

Флюорография. Этот метод состоит в получении фотографии с изображением части тела пациента. Используют, как правило, для предварительного исследования состояния внутренних органов пациентов. Широко распространена флюорография для диагностики заболеваний легких. Каждый школьник и взрослый должен регулярно проходить флюорографию. Причем не стоит бояться облучения, оно настолько мало, что полученная доза излучения соизмерима с получаемой дозой на пляже или в солярии.

Компьютерная рентгеновская томография. Оснащенный вычислительной техникой осевой томографический сканер является наиболее современным аппаратом рентгенодиагностики, который позволяет получить четкое изображение любой части человеческого тела, включая мягкие ткани органов.

В современном компьютерном томографе широкий пучок рентгеновских лучей в форме веера перекрывает исследуемый объект, и прошедшее сквозь тело рентгеновское излучение записывается несколькими сотнями детекторов. Время, необходимое для исследования, составляет всего около 5-6 секунд. Это позволяет уменьшить дозу рентгеновского излучения, получаемого в процессе диагностики пациентами.

Этот метод характеризуется высоким разрешением, которое дает возможность различать тонкие изменения мягких тканей. Это позволяет обнаружить такие патологические процессы, которые не могут быть обнаружены другими методами.

Магниторезонансная томография

Одно из последних достижений медицинской техники в области диагностики, созданное на основе самых современных открытий физической науки - магниторезонансная томография (МРТ).

В основу метода исследования внутренних органов и тканей положено физическое явление ядерного магнитного резонанса. Метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Эффект ядерного магнитного резонанса был открыт в 1946 году Ф. Блохом и Э.М. Парселлом. Они установили, что ядра некоторых атомов при помещении их в магнитное поле поглощают энергию электромагнитного импульса, а по окончании импульса излучают её в виде радиосигнала. За это исследование ученые получили Нобелевскую премию по физике за 1952 год.

Устройство МРТ и способ его применения изобрёл и подробно описал в 1960 г. В.А. Иванов, что удостоверено патентом СССР.

А вот Нобелевскую премию в области медицины за изобретение этого метода в 2003 получили Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур. Они нашли практическую возможность использовать градиент магнитного поля для воссоздания двумерной картины организма и построили первый магнитно-резонансный томограф. Первые томографы имели напряжённость магнитного поля 0,005 Т, однако качество получаемых изображений было низким. Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля. В качестве таких источников применяются как сверхпроводящиие электромагниты, работающие в жидком гелии (до 9,4 T), так и постоянные очень сильные (неодимовые) магниты (до 0,7 T).

Современные методики МРТ делают возможным без вмешательства исследовать функцию органов - измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузии в тканях, наблюдать деятельность коры головного мозга.

Ультразвуковые установки

Следующее современное средство диагностики, без которого уже нельзя представить современную медицинскую клинику - это ультразвуковое исследование (УЗИ).

Ультразвуковое излучение было открыто на несколько лет раньше рентгеновского луча. Исследование ультразвуковых колебаний началось в 1876 году, когда английский физик Франк Гальтон впервые получил высокочастотные звуковые волны с помощью устройства, которое в последствии получило название - свисток Гальтона. При продувании через трубку с тонкими стенками струи газа возникали высокочастотные колебания.

Самым значимым для современной ультразвуковой техники открытием было получение колебаний в кристаллах с помощью электрического тока. В 1880 г. в Париже братья Пьер и Жак Кюри (Pierre Curie, Jacques Curie) установили, что некоторые кристаллы изменяют форму при приложении к граням электрического потенциала (пьезоэлектрический эффект). Это позволило получать ультразвук.

На основе пьезоэлектрического эффекта был изобретен эхолот. Его сконструировал австрийский физик Александр Бэм в 1912 году. Прибор изначально предназначался определения уровня воды. Но катастрофа Титаника в этом же году показала, что такой прибор жизненно необходим для обнаружения препятствий для корабля в тумане. Поэтому спустя два года, в 1914 году, Реджинальд Фессенден создал эхолот, который стало возможно использовать на кораблях. Его прибор был способен определять местоположение айсберга на расстоянии двух миль от корабля. Так появилась гидролокация - излучение и восприятие отражённых высокочастотных звуковых сигналов с целью обнаружения объектов в пространстве.

Первый ультразвуковой прибор - гидрофон - был предназначен для борьбы с германскими подлодками в годы Первой мировой войны.

В 1928 году советский ученый С.Я. Соколов своими исследованиями распространения ультразвука в металлах создал основу современной ультразвуковой дефектоскопии для определения качества изделий, не прозрачных для рентгеновского излучения.

Так что медицинские ультразвуковые сканеры являются потомками корабельных гидролокаторов и промышленных дефектоскопов. Не удивительно, что исследователями медицинского ультразвука были люди, связанные с морем, авиацией и военной службой. В 1950-х годах американцы Холмс и Хоур для достижения акустического контакта с объектом исследований, погружали человека в бак с водой. Первые эксперименты проводились в орудийной башне от самолета B29.

Первый опыт медицинского применения ультразвука относится к 1937 году, когда американец Карл Дуссик с братом Фридрихом сделал попытку диагностировать опухоли мозга с помощью ультразвука.

В 1952 г. Дуглас Хаури (Колорадо, США) создал при помощи морских локаторов систему, позволяющую увидеть участок печени вместе с находящимися в нем гвоздем, кусочками пластмассы и дерева, что невозможно осуществить с помощью рентгеновских лучей.

В основе ультразвукового исследования преломление и отражение акустических волн при прохождении внутренних органов, имеющих разную плотность.

Ультразвук используется не только для диагностики. Сильно фокусированный пучок ультразвука может вызывать локальные разрушения в тканях, поэтому он еще и применятся в качестве скальпеля. Это позволяет воздействовать только на четко ограниченную область в глубине органа без разрушения вышележащих тканей, быть быстродействующей, вызывать минимальные потери крови.

В малых дозах ультразвук, наоборот, стимулирует восстановление поврежденных тканей. Поэтому его используют для заживления ран и язв, рассасывания язв и заживления переломов.

Теперь обозначим некоторые, самые перспективные направления развития медицинской техники.

Самым сложным из всех органов, да и, пожалуй, самым сложным и загадочным во всей Вселенной объектом изучения для человека является его собственный мозг. Несмотря на фантастические достижения нейрохирургии, не существует даже какой-нибудь цельной теории его функционирования. Но не дожидаясь ее появления, инженеры уже сейчас создают приборы, которые в будущем существенно расширят возможности человека. Это позволит, например, в случае потери конечности заменить ее на механическую, которая так же, как и ее природный аналог будет управляться непосредственно мозгом.

В 1929 году австрийский психиатр Х. Бергер обнаружил так называемые «мозговые волны», которые можно регистрировать по колебаниям электромагнитного поля на поверхности черепа. Он также заметил, что состояние испытуемого существенно меняет характеристики этих сигналов. Наиболее заметными оказались волны относительно большой амплитуды с частотой около 10 циклов в секунду. Бергер дал им название «альфаволны». В более активном состоянии Бергер зафиксировал «бета-волны» с более высокой частотой. Это открытие привело к созданию электроэнцефалографии (ЭЭГ) - метода изучения мозга, основанного на регистрации и анализе биотоков.

Нейрофизиологам и нейропсихологам информации, получаемой посредством ЭЭГ, совершенно недостаточно, но на ее вполне можно создавать механические устройства, управляемые сигналами мозга.

В 2003 году корейские инженеры из компании Lims Technology в сотрудничестве с Университетом провинции Чанбук (Chungbuk Provincial University) продемонстрировали свою разработку, в которой сигнал ЭЭГ преобразуется в сигналы, понятные компьютеру.

Девушка надевает шлем с электродами. Положительные эмоции экспериментатора преобразуются в команду для игрушечной машинки двигаться вперед, а отрицательные заставляют игрушку двигаться назад. Рассказывая грустные и веселые истории девушке, можно управлять движением машинки.

Но такой способ лишь доказывает принципиальную возможность такого управления, на практике он крайне ненадежен.

Изобретатели из Эдинбургского университета смогли добиться более интересных результатов: в 1993 году доброволец Кэмпбелл Эйрд, лишившийся руки, получил искусственную конечность, которая имела управляемые узлы в запястье, локте и плече. Для управления механизмами используются нервные импульсы в мускулах оставшейся части плеча. Точность и качество исполнения механизмов и электроники можно оценить по тому, что Эйрд снова стал заниматься спортивной стрельбой и даже управлять спортивным самолетом. К тому времени это был самый совершенный протез, его стоимость оценивается в 170 тысяч долларов.

Американцы из Института реабилитации инвалидов в Чикаго повторили разработку шотландцев, но провели аналогичные операции уже пятерым мужчинам и одной женщине, и предоставили подробные и исчерпывающие данные по каждой операции. В результате Министерство обороны США уже заявило о планах предоставлять роботизированные руки солдатам, покалеченным во время военных действий.

В 1990-х годах в Университете Ханеманна Мигель Николелис и Джон Чэпин применили гибкие электроды с тефлоновым покрытием и диаметром острия около 50 микрон для снятия данных сразу с 48 нейронов головного мозга крысы. Причем одновременно регистрировалось как восприятие сенсорной информации, так и ответная регуляторная активность. Через некоторое время инженер-электронщик Харви Уиггинс сконструировал устройство, которое обеспечивало выборочный анализ, фильтрацию и усиление нейронных сигналов.

Крысу с вживленными электродами поместили в клетку с небольшой педалью, при нажатии на которую появлялась порция воды и пищи. Когда крыса научилась обеспечивать себя кормом, педаль отключили, а вместо нее к дозатору кормушки подключили регистратор сигналов с вживленных электродов. После некоторого привыкания крыса стала управлять кормушкой прямыми сигналами мозга.

Опыты бразильского нейрофизиолога Мигеля Николелиса с коллегами из Гетеборгского университета в Швеции на обезьянах показали, что сигналы имплантированных электродов для управления искусственной рукой, позволяют осуществлять движение быстрее, чем своей «природной» рукой!

В июне 2004 года американские хирурги имплантировали в двигательную область коры головного мозга 24-летнего полностью парализованного человека микрочип BrainGate, разработанный в компании Cyberkinetics. Крошечный чип дал парализованному человеку возможность управлять телевизором и компьютером - например, рассылать письма по электронной почте и даже играть в компьютерные игры.

Тенденции таковы, что компьютер и человек рано или поздно объединятся физически. Не случайно появилось понятие «cyb(ernetic) org(anism)», сокращенное до звучного слова «киборг». Его придумал в 1960 году специалист по космической медицине Манфред Клайнс. Движение к превращению человека в киборга неумолимо происходит: первый компьютер был размером с дом; затем компьютер стал компактнее, переместился на рабочий стол, и с ним стало можно общаться в своей квартире; далее появился ноутбук, который с комфортом устроился на коленях у своего хозяина; современный телефон, по сути, компьютер, сидит в нашем кармане и посредством гарнитуры общается со своим владельцем. Логично, что шаг по перемещению компьютера в человеческое тело, рано или поздно будет сделан. Внедренные микрочипы значительно расширят возможности человека по получению, хранению и переработке информации. Представим, что человек мысленно сможет общаться с другим человеком, писать и запоминать тексты, слушать музыку!

Любопытным исследованием занимается группа известного американского изобретателя Стивена Джейкобсена, основателя компании Sarcos, которая сегодня стоит на пороге промышленного изготовления робокостюмов. Для слаженной работы всего механизма требуется несколько сложных сенсоров в каждом суставе и под голеностопом. Сенсоры приводят в действие гидравлическую систему, исполняющую роль мышц. Надевшему такой костюм человеку надо лишь слегка напрягать мышцы, и при этом он сможет легко балансировать на одной ноге с центнером груза за спиной: вся нагрузка практически придется на «мышцы» и стальные ноги робота, надеваемого, как костюм. Неудивительно, что работа финансируется военными ведомствами: солдат, снабженный таким костюмом, становится суперменом, усилие его мышц усиливается десятикратно!

Вместе с развитием идеи создания робота «поверх» человека, активно развивается направление, связанное с помещением роботов «внутрь» человеческого организма.

Американец Брэдли Нельсон, профессор из федеральной политехнической школы Цюриха предлагает для точной доставки медикаментов и очистки кровеносных сосудов от вредных отложений использовать дистанционно управляемых нано-роботов. В будущем эти маленькие роботы смогут работать в других труднодоступных местах человеческого тела, например, в головном мозге, во внутреннем ухе, в сердце или в пищеварительном тракте.

Патрик Хунцикер из Базельской университетской клиники хочет посредством нанотехнологий доставлять медикаменты непосредственно в «пункт назначения». Его идея заключается в создании так называемых нано-контейнеров, несущих лекарства и прикрепляющих его только к больным клеткам. Таким образом можно уничтожить раковые клетки и совершенно не затронуть здоровые клетки и органы.

Нанороботы могут осуществлять диагностику, «охоту» за возбудителями инфекций и раковыми клетками, разрушение атеросклеротических отложений на стенках сосудов, восстановление поврежденных или постаревших тканей и отдельных клеток и т.п.

Можно представить одетого в робокостюм человека, поднимающего тонны груза, внутри которого тысячи нанороботов поддерживают здоровье его организма.

Если кого-то сегодня и пугают такие перспективы, то надо понимать, что к моменту их массового внедрения они перестанут кого-либо удивлять и шокировать. Электрокардиостимулятор сердца, управляемый компьютером, титановые суставы и кости, электронные слуховые аппараты уже перестали быть чем-то необычным.

Естественно, что расходы на медицинскую технику и медицинские инновации в общей доле затрат государства и частных фирм неуклонно повышаются. Эти затраты достаточно быстро окупаются и приносят значительный экономический эффект, особенно в масштабах государства.

Например, синдром диабетической стопы является дорогостоящим осложнением, приводящим к длительной госпитализации, реабилитации, дополнительным расходам, связанными с уходом за больным, его социальным обслуживанием и т.д. Согласно отчетам за период с 1995 по 1996 годы в одной только Германии 1,5 млрд. долларов были потрачены непосредственно на лечение этой, не самой распространенной болезни. При этом 2,5 миллиона дней в году люди не могут приступить к работе, среди которых 1,6 миллионов дней они лежат в больнице.

Современные методы лечения этого заболевания по сравнению с традиционными в состоянии уменьшить время лечения почти в два раза и, соответственно, снизить и расходы на само лечение. Снижение частоты медицинских процедур, уменьшение расходного материала, уменьшение нагрузки на медицинский персонал, снижение частоты использования операционных и времени нахождения больного в больнице многократно окупают использование даже самых дорогостоящих современных методов лечения.

Кроме того, уменьшаются страдания больных, снижается общая смертность, а это уже нельзя оценивать только экономическим эффектом.

Эти рассуждения являются справедливыми и для всех других болезней без исключения. Поэтому можно только представить астрономически огромный экономический эффект от технических инноваций в медицине. Взять хотя бы пример с внедрением рентгеновских установок в медицинскую практику.

Поэтому внедрение технических новинок в медицину является самым эффективным вложением капиталов с государственной точки зрения - здоровье народа и его работоспособность являются главными условиями устойчивого экономического развития страны.

Темы для докладов и рефератов

Физические явления и законы, используемые в медицинской диагностике.

Рентгеновская установка - важнейший фактор развития науки и медицины.

Устройство и принцип действия современного прибора компьютерной рентгеновской томографии.

Устройство и принцип действия магнитно-резонансного томографа.

Устройство и принцип действия современного прибора для ультразвукового исследования.

Физика в операционной.

Лазер на службе медицины.

Использование радиоактивных препаратов в медицине.

Дискуссии

Больница будущего.

Обезьяна - Homo sapiens - киборг?

Литература

Власов, П.В. Беседы о рентгеновских лучах /П.В. Власов. - М., Молодая гвардия. 1977. -224 с.

Егор Быковский. От протеза к киборгу / Вокруг света. №5. 2006.

Генри Шеппард. Интерфейс для головного мозга / Вокруг света. №2 2007.

www.bioinformatix.ru/nanotehnologii/nanorobotyi-v-meditsine.html.

www.nanoindex.ru/stati/61-nanoroboty-v-medicine.html.

www.infuture.ru/article/77.

4.4 Спорт

Люди чаще капитулируют, чем терпят крушение.

Генри Форд

Время, место	Событие
1892 г., Goodyear, Германия	Созданы кроссовки - обувь специально для занятий спортом
1928 г., Амстердам, Голландия	На Олимпийских играх используется фотофиниш
1932 г., Лос-Анжелес, США	Камера фотофиниша и автохронометража Густавуса Т. Кирби работает на Олимпийских Играх
1992 г., Альбервилль, Франция	На зимних Олимпийских играх в конькобежном спорте используется цифровая система видеофиниша «Scan O'Vision» компании «OMEGA»

Сегодня спорт - это не только сфера деятельности человека, связанная с его физическим совершенствованием и определением максимальных возможностей человеческого организма. Спорт стал не только важнейшей отраслью экономики, он превратился в индустрию, настолько сильно влияющую на развитие буквально всех остальных отраслей, что является ни много ни мало катализатором общего экономического развития всей страны.

Непосредственное воздействие спорта связано с увеличением количества туристов, ростом продаж спортивного инвентаря и одежды, постройкой спортивных сооружений и всей необходимой инфраструктуры: дорог, гостиниц, вокзалов и аэропортов, информационных центров и т.п.

Косвенный эффект от развития спорта может быть даже более значимым, чем прямой. Спорт предстает как концентрированное выражение политики и экономики. Спортивные достижения страны влияют на ее имидж, повышают инвестиционную привлекательность в глобальном масштабе. Это, в свою очередь, вызывает развитие строительства, туризма и наукоемких производств.

Количество медалей, завоеванных на Олимпиаде национальными сборными, свидетельствует не только о месте страны в таблице спортивных рангов, но является очень важным показателем текущего места страны в глобальной экономике. Результаты неофициального командного первенства - это и прогнозы будущих темпов экономического роста.

Кроме того, развитие спорта - это проявление модернизации и нового технологического уклада, показатель инновационного лидерства в глобальном экономическом измерении. В Англии, в те времена, когда она была технологическим лидером, изобретена не только паровая машина Уайта, но футбол, теннис и гольф. Следующий технологический лидер - США. Американцы изобрели компьютеры, отправили человека на Луну, изобрели волейбол и баскетбол.

Сегодня в соревнованиях на международной арене в единоборство вступают не столько сами спортсмены, сколько страны и технологии, которыми они владеют. Совсем не удивительно, что на спорт работают целые научные подразделения врачей, фармацевтов, психологов, инженеров и конструкторов. Разработки из сферы спорта высших достижений, точно так же, как из области космической техники, потом начинают широко использоваться и в других областях.

Так было, например, с кроссовками. Метод соединения резины и ткани впервые предложила компания Goodyear в 1892 году для создания специальной спортивной обуви, а в 70-х годах прошлого века началось массовое использование этой обуви в качестве повседневной. Сегодня кроссовки, пожалуй, самая распространенная обувь в мире.

Выделим несколько основных аспектов взаимодействия техники и спорта.

Первый из них связан с появлением новых технических видов спорта. Благодаря развитию техники, появляются новые виды спорта, которые раньше просто не могли существовать. Среди таких можно назвать парашютный спорт, мотокросс, автогонки, дельтопланеризм, радиоохота «на лис» (поиск радиопередатчиков) и т.п.

Опыт применения техники в экстремальных условиях и на предельных нагрузках стимулирует использование новейших технологий и дает возможность их экспериментальной проверки. Полученные результаты служат основой для коррекции и доведения инновации до уровня массового потребления. Так спорт стимулирует развитие техники. Наглядным примером являются автогонки «Формула-1». Применяемые при постройке болидов новейшие конструкционные материалы, технические решения далее используются уже при массовом изготовлении серийных автомобилей.

Соревнования по парашютному спорту послужили стимулом для создания новых форм парашюта, более легких, быстрых, управляемых. В результате появился параплан - гибрид парашюта и крыла, позволяющий не только опуститься с самолета на землю, но осуществлять достаточно длительные горизонтальные полеты и даже подъем вверх.

Второй аспект связан с техническим обеспечением спортивных сооружений. Современные спортивные сооружения, предназначенные для проведения массовых мероприятий, такие как стадионы, бассейны, треки, автомобильные, горнолыжные и бобслейные трассы, являются сложными техническими системами. Они должны иметь системы оповещения, ограждения, наблюдения, освещения, противопожарной безопасности. Кроме этого, в этих сооружениях должны функционировать системы, специфичные для каждого сооружения. Например, футбольное поле нуждается в системе отопления и полива газона, а каток и трек для бобслея должны иметь сложные и дорогостоящие системы охлаждения, на горнолыжной трассе необходимы пушки для получения искусственного снега, специальные тракторы для подготовки склонов и т.п. Необходимо добавить, что современный спортивный объект обязательно оборудуется системами видеокамер, большими экранами, информационными центрами для спортивных комментаторов и журналистов и т.п.

В качестве примера рассмотрим развитие одной системы из множества других. Это система фотофиниша.

Фотофиниш - программно-аппаратная система для фиксации порядка пересечения финишной черты участниками соревнований, обеспечивающая получение изображения, достаточное для определения приоритета участников соревнования.

Первое известное упоминание об использовании фотофиниша относится к концу XIX века - тогда для определения победителя в скачках была использована обычная фотокамера. В одном из самых авторитетных научных журналов «Nature» в 1882 году опубликовано письмо Эдварда Мейбриджа, крупнейшего специалиста в скоростной фотографии. В частности, он писал, что «в ближайшем будущем результаты важных заездов будут зависеть от фотографии, по которой будет определяться победитель». Самая же старейшая известная фотография фотофиниша датируется 25 июня 1890 года.

В 1926 году Датской федерацией легкой атлетики было представлено устройство фотофиниша, использующее технику ускоренной съемки. Этот прибор успешно применяется на Олимпийских играх 1928 года в Амстердаме. В начале 30-х годов ХХ века удалось совместить фотофиниш с секундомером. Это стало возможным с появлением «Камеры Кирби» - высокоскоростной кинокамеры, изобретенной и впервые примененной в 1931 году. Произведенное Kodak - Bell Lab's устройство снимало со скоростью 128 кадров в секунду изображение с двух объективов. Через один объектив снималась линия финиша, второй же был сфокусирован на встроенный электромеханический хронометр. Таймер системы запускался от выстрела стартового пистолета. Официальный дебют этого устройства состоялся на Олимпийских Играх 1932 года в Лос-Анжелесе.

В 1991 году впервые была задействована цифровая система фотофиниша Slit Video, созданная компанией «OMEGA».



На зимних Олимпийских играх в Альбервилле 1992 году дебютирует система видеофиниша «Scan O'Vision» компании «OMEGA» - пока лишь в одном виде - в конькобежном спорте. На летних Олимпийских Играх 1992 года в Барселоне «Seiko» использует цифровой фотофиниш на соревнованиях по легкой атлетике. С тех пор в любом виде спорта, связанном с пересечением финишной черты, соревнования мирового уровня без фотофиниша не проводятся.

Следующий аспект взаимовлияния спорта и технических инноваций связан со спортивными снарядами, которые спортсмен использует непосредственно во время соревнований. Совершенствование спортивных снарядов иногда очень сильно меняет сам вид спорта, даже тот, который традиционно не относится к техническим. Например, появление пластиковых лыж и парафинов для их смазки позволило значительно уменьшить силу трения лыж о снег, что привело к появлению новой техники лыжного бега - конькового хода. Это, в свою очередь, послужило причиной изменения регламента соревнований и разделения гонок на два вида: классическим и коньковым ходом.

Логичным следствием таких изменений является значительное улучшение абсолютных результатов. Одним из самых наглядных примеров может быть история рекордов в прыжках в высоту с шестом.

Мировой рекорд на деревянных шестах был поставлен американцем Корнелиусом Уормердамом в 1942 году, он оказался равным 4,77 м. На Чемпионате Европы 1946 года шведские атлеты впервые продемонстрировали металлические шесты. Результат использования металлических шестов оказался немного лучше, рекорд в 4 м 80 см был достигнут Дональдом Брэггом в 1960 г.

В этом же году на Олимпийских играх в Риме были представлены первые образцы пластиковых шестов, которые произвели революцию в этом виде легкой атлетики. Фиберглассовые шесты способны сильно сгибаться, накапливая кинетическую энергию спортсмена. Это потребовало полностью переработать технику прыжка и повысило требования к скоростной и физической подготовке атлетов. Но за последние 34 года мировой рекорд у мужчин вырос с 4,80 до 6,14 м!

Современный шест для прыжков представляет собой высокотехнологичный спортивный снаряд, изготовленный из композитных материалов, имеющий множество различных характеристик, подбираемых индивидуально для спортсмена.

Технический прогресс не миновал и игровые виды спорта. Для примера рассмотрим только одну, но самую популярную игру - футбол.

Казалось бы - какие могут быть существенные технические инновации, связанные с главным атрибутом этой игры - с мячом?

Но оказалось, что современные технологии и здесь позволяют добиться значительных улучшений. При создании нового официального мяча Чемпионата мира-2006 Аdidas+Teamgeist дизайнеры прибегли к компьютерному моделированию. Полученный в результате спортивный снаряд состоит теперь не из 32 частей, как его предшественники, а всего из 14. Панели не сшиты между собой, а соединены путем термической обработки и покрыты особой прозрачной полимерной пленкой. В результате новая конструкция имеет почти идеальную форму шара, является более износостойкой и водонепроницаемой. Малое количество швов обеспечивает «однообразное» поведение мяча вне зависимости от расположения точки удара, и равномерное распределение энергии удара, что делает траекторию его полета предсказуемой. По результатам лабораторных испытаний, точность движения мяча повысилась на 30%.

Перчатки вратаря сегодня тоже становятся шедевром последних технических достижений. Для их изготовления используется новый материал d3o, обладающий поистине уникальными свойствами. В обычном состоянии этот полимер гибок и эластичен, но стоит его подвергнуть резкому воздействию, как менее чем за сотую долю секунды он твердеет и остается в этом состоянии до тех пор, пока воздействие не закончится. После этого он возвращается в свое исходное состояние. Процесс превращения очень похож на кристаллизацию, когда свободные молекулы под воздействием тех или иных физических процессов объединяются в правильную кристаллическую решетку. В случае с d3o «кристаллизация» происходит в момент удара, часть энергии которого расходуется как раз на структурное преобразование материала. В новых перчатках Sells полимер d3o находится на тыльной стороне ладони и прикрывает костяшки. Пока вратарь ловит мяч, мягкие эластичные вставки не мешают ему, но если приходится выбивать мяч кулаком, они твердеют всего за 10 миллисекунд, защищая руки от травм и формируя твердую платформу для удара. Этот же принцип используется и в щитках для голени. По результатам проведенных испытаний, новые d3o Pro Pad обеспечивают отличную защиту ноги и превосходят стандартные образцы не только по удобству, но и по поглощению энергии удара.

Но самое большое новшество будет связано не с отдельными аксессуарами игры, пусть и самыми главными, оно будет заключаться в новой системе контроля за мячом и игроками. Для этого внутри мяча и на игроках будут находиться миниатюрные датчики. С их помощью можно будет получать информацию о местонахождении «объектов» в каждый момент времени. Эта технология, называемая Cairos System была разработана немецкой компанией Cairos Technologies совместно с Институтом Фраунхофера (Fraunhofer IIS) при поддержке Аdidas. Чувствительные антенны, расположенные по краям поля и на мачтах освещения, 2 000 раз в секунду получают данные со всех датчиков, находящихся на поле. Собранная информация передается на центральный компьютер. На основе этих данных можно построить трехмерную модель игрового поля и моментально «в динамике» оценивать положение каждого игрока относительно мяча. Положение вне игры, аут, а может, даже и нарушение правил в момент борьбы за мяч и, особенно, пересечение мячом линии ворот - все это будет безошибочно фиксироваться. Количество спорных судейских решений будет сведено к минимуму. Электронную систему отправить «на мыло» невозможно.

После обработки собранной с датчиков информации получаются совершенно уникальные статистические данные, о которых тренеры и спортивные комментаторы могли только мечтать. Сила удара, скорость полета мяча, расстояние до ворот, а кроме этого - скорость игрока, его активность на поле, результативность все это будет доступно в режиме реального времени. Футбол обогатится большим количеством статистических данных, что сделает его еще интереснее.

Еще один, незаметный для зрителя, но очень важный для спортсмена и его тренера аспект связан с использованием технических средств для тренировки и последующего восстановления.

Для этого существуют различные тренажеры, имитаторы соревновательной обстановки. Гребцы много времени проводят на специальных тренажерах, имитирующих греблю, парашютисты - в аэродинамической трубе, велосипедисты - на велотренажере, лыжники - на лыжероллерной трассе и т.п.

Очень важен постоянный контроль за состоянием тренирующегося спортсмена. Развитие электроники, средств связи, в частности, изобретение Bluetooth предоставили такие возможности, о которых даже и не мечтали. Стало возможным во время работы спортсмена на расстоянии контролировать частоту его сердечных сокращений и дыхания, давление, температуру.

В телевизионных трансляциях лыжного спорта рядом с изображением бегущего спортсмена иногда показывают его пульс и процентное отношение текущего пульса от максимально возможного для этого спортсмена. А это коренным образом меняет тактику ведения борьбы на лыжне, потому что теперь соперника нельзя обмануть и деморализовать демонстративно легким и быстрым отрывом на подъеме. Все зрители и тренеры соперника хорошо видят, что спортсмен бежит на пределе своих возможностей, а значит, долго он такого темпа не выдержит.

Спорт больших достижений связан с запредельными для человеческого организма нагрузками, поэтому он невозможен без травм и профессиональных болезней. Именно поэтому спорт самым тесным образом связан с медициной, которая, как уже было выше сказано, является сегодня одним из главных потребителей технических инноваций.

...