By mięśnie móc wzmóc...

Z tradycyjnych protez korzystają tylko najsilniejsze osoby z niepełnosprawnością, mające sprawne mięśnie ud, podudzi, ramion. Gdy mięśnie są słabe, potrzebują innego wsparcia. Dać je może egzoszkielet.

Sztuczne egzoszkielety to mocowane do ciała człowieka specjalne zewnętrzne urządzenia mechaniczne, których celem jest wzmocnienie jego siły. Nie są nowością. Naukowcy pracują nad nimi od początku lat 60. XX wieku, a prym w tej dziedzinie wiedzie Japonia i USA. Kiedy je projektowano, nie myślano o osobach z niepełnosprawnością, lecz o żołnierzach. A dokładnie o poprawie ich zdolności bojowych na polu walki. Stworzenie „superżołnierza” zdolnego przewrócić pancerny samochód, przenieść tony amunicji, nosić rannych, a przy tym odpornego na atak przeciwnika, było głównym celem projektu.

Najlepsze wojskowe zrobotyzowane szkielety ważą tyle co człowiek i potrafią zwiększyć wielokrotnie jego siłę. Badania nad egzoszkieletami prowadzone są głównie przez wojsko, powstały jednak już pierwsze konstrukcje dla ludzi osłabionych i mających problemy z poruszaniem się.

Elektryczne mięśnie
Profesor Yoshiyuki Sankai z Uniwersytetu Tsukuba w Tokio był pierwszym naukowcem, który chciał, aby egzoszkielet wspomagał osoby z niepełnosprawnością. Jego konstrukcją, pod nazwą HAL (Hybryd Assistive Limb – Hybrydowa Kończyna Wspomagająca), zainteresowało się wojsko. Profesor nie zgodził się jednak, aby jego urządzenie zostało wykorzystane do zadań wojennych. Miało pomagać wyłącznie słabym ludziom w wykonywaniu zadania wymagającego użycia dużej siły, czego bez zewnętrznej pomocy nie byliby w stanie zrobić.

Reklamę egzoszkieletu prof. Sankai zrobił utytułowany himalaista Ken Noguchi, pięciokrotny zdobywca Mount Everest. Zaplanował wspiąć się na jeden ze szwajcarskich szczytów razem ze swoim kolegą – Sesji Uchidą, sparaliżowanym od pasa w dół po złamaniu rdzenia kręgowego w wypadku samochodowym. Ubrany w egzoszkielet Ken Noguchi, z przypiętym do pleców towarzyszem, zdobył szczyt góry Breithorn w Szwajcarii. Bez egzoszkieletu nie miałby siły wnieść na szczyt kolegi ważącego kilkadziesiąt kilogramów.

Zrobotyzowany szkielet HAL to obecnie jeden z najnowocześniejszych systemów zwiększających siłę człowieka. Jest znacznie mniejszy od urządzeń wojskowych, lżejszy, bo waży 19 kg, oraz tańszy (ok. 19 tys. dolarów). Co najważniejsze – był budowany z myślą o osobach starszych i z niepełnosprawnością, aby mógł im zastąpić wózek inwalidzki. Przy jego pomocy przeciętny człowiek, który ma problemy z uniesieniem 50 kg ładunku, może podnieść prawie 100 kg.

Działanie urządzenia jest bardzo precyzyjne. Przytwierdzona do urządzenia osoba ma w wielu miejscach zainstalowane przeróżne czujniki do odczytywania ruchu (czujniki bioelektryczne, czujniki zmiany kąta położenia, nacisku na podłoże i monitorujące stan urządzenia i operującego nim człowieka). Gdy tylko zacznie wykonywać ruchy ramion lub nóg, czujnik błyskawicznie przesyła informację do pokładowego komputera, a ten wydaje odpowiednie polecenie mechanicznym ramionom i nogom. Wyposażone są one w specjalne przekładnie hydrauliczne zastępujące stawy oraz elektryczne silniczki zastępujące mięśnie. Robot potrafi odczytać także zamiary użytkownika – to, w którą stronę i jak szybko chce on iść oraz czy zamierza wejść po schodach, czy z nich zejść. Kiedy czujniki odbiorą polecenia wysyłane przez mózg, komputer uruchamia odpowiedni silnik i wysyła impuls do mięśni poprzez zmiany pola elektrycznego.

Na razie z urządzenia nie mogą korzystać osoby, które nie są w stanie w ogóle poruszać kończynami bądź mają duże kłopoty z utrzymaniem postawy stojącej. Robot jest w stanie przystosować się do wymagań użytkownika, jego postawy, sposobu stania, stylu chodzenia oraz mechanicznie wspierać słabsze mięśnie. Można go nawet skalibrować pod indywidualne potrzeby użytkownika, aby np. bardziej wspomagał jedną z nóg. Komputer musi jednak – poprzez odbierane impulsy – otrzymywać w miarę czytelne sygnały, że ruch, jaki wykonuje użytkownik, jest tym, który chce wykonać.

W takim mechanicznym szkielecie osłabiony człowiek jest w stanie samodzielnie przemieszczać się niewielkim nakładem sił, a nawet wykonywać różne prace domowe bez narażenia się na upadek. Inżynierowie chcą jednak tak udoskonalić urządzenie, aby osoby sparaliżowane mogły się również w nich poruszać. Jest to możliwe, ponieważ w sparaliżowanych kończynach także można odbierać sygnały elektryczne wysyłane z mózgu. Przełożenie sygnałów nerwowych na impulsy sterujące zabiera urządzeniu ułamek sekundy. Konstruktor Yoshiyuki Sankai twierdzi, że w rzeczywistości jego system działa nieco szybciej niż prawdziwe mięśnie człowieka.

Siłaczka w fartuchu
Prace nad egzoszkieletem prowadzi m.in. Uniwersytet Berkeley w Kalifornii w Laboratorium Robotyki i Inżynierii Ludzkiej. Projekt nosi nazwę Bleex (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton – na zdjęciu głównym). Urządzenie składa się tylko z mechanicznych metalowych nóg wspomaganych hydraulicznie. Działa na podobnej zasadzie co HAL, jest jednak od niego większe i cięższe, ponieważ jego częścią jest duży plecak, w którym można dźwigać spory ładunek. Zakładając Bleexa, wsuwa się nogi w uchwyty i zapina pasy kamizelki. Ten egzoszkielet opracowano z myślą o żołnierzach transportujących ciężary w trudnym terenie. Niektórzy uważają jednak, że po przeróbkach (waży 50 kg) mógłby być wykorzystywany przez osoby ze sparaliżowanymi kończynami dolnymi. Bleex może być nieocenionym narzędziem dla osób przemierzających pieszo długie dystanse z ciężkim ekwipunkiem (maksymalnie 35 kg). Nic dziwnego, że nowym urządzeniem jako pierwsze zainteresowało się wojsko oraz służby ratownicze.

– Podstawowa technologia – tu zastosowana – może być rozwijana również na rzecz pomocy ludziom z ograniczoną sprawnością ruchową – mówi Homayoon Kazerooni, profesor mechanicznej inżynierii na uniwersytecie Berkeley. – Stworzyliśmy egzoszkielet, który łączy ze sobą ludzki system kontroli i zautomatyzowaną siłę mięśni. System jest w pełni ergonomiczny, zwrotny i silny, aby użytkownik mógł chodzić, kucać ,nachylać się i przechylać na wszystkie strony bez najmniejszego ograniczenia zwrotności i sprawności. Nawet z pełnym bagażem ma on wrażenie, że urządzenie waży nie więcej niż 3 kg.

Zasilanie egzoszkieletów jest jednak największym problemem dla twórców wszystkich konstrukcji. Zamontowane baterie wytrzymują najwyżej pół godziny ciągłej pracy. Im cięższe urządzenie, tym większe baterie. Dlatego wojskowe egzoszkielety, których przeznaczeniem jest przenoszenie dużych ciężarów, wyposażone są w większe akumulatory. W urządzeniu HAL baterie są małe i przywiązuje się je do talii użytkownika. Inżynierowie Bleexa już zaprojektowali wysoko wydajny mały silnik spalinowy dostarczający urządzeniu energię.

Z kolei japońscy inżynierowie Instytutu Technologii w Kanagawa pracują nad egzoszkieletem WPAS (Wearable Power Assist Suit), który mógłby być wykorzystywany w szpitalach. Pomagałby zwłaszcza pielęgniarkom w opiece nad osobami chorymi i z niepełnosprawnością, np. przy przenoszeniu ich z wózka na łóżko. Problemy z kręgosłupem to znane na całym świecie dolegliwości reprezentantek tej grupy zawodowej. Ubrana w specjalny kombinezon pielęgniarka byłaby w stanie – mimo 18 kg wagi urządzenia – samodzielnie podnosić i przenosić pacjentów ważących nawet 80 kg.

Chodzić na innych nogach
Niedawno koncern Honda, producent samochodów, rozpoczął testy urządzenia wspomagającego chodzenie. Nie jest to egzoszkielet, lecz asystent chodzenia – małe urządzenie, które może pomóc w poruszaniu się osobom z osłabionymi mięśniami nóg. Mała uprząż, zakładana na uda i biodra, może być wykorzystywana także w rehabilitacji nauki chodzenia. Składa się z połączonych w jedną część: małego siedziska, ramy i obuwia. Jego zadaniem jest redukowanie obciążeń stawów dzięki elektrycznym silniczkom, które włączają się przy nacisku na stawy i unoszą siedzisko osoby do góry. Największe korzyści czuje się zwłaszcza podczas wchodzenia i schodzenia po schodach oraz zginania kolan przy przysiadzie. W rezultacie obciążenie mięśni nóg – stawów biodrowych, kolan i kości nóg zostaje zmniejszone. Ponadto urządzenie pomaga w stawianiu dłuższych kroków oraz utrzymaniu równowagi. Pracą małych, lecz mocnych silniczków zarządza specjalny system kontrolny Hondy. Naładowane akumulatory wystarczają na dwie godziny użytkowania.

Największą nadzieją dla osób, które chciałyby chodzić, a są sparaliżowane od pasa w dół, jest egzoszkielet ReWalk, zastępujący sparaliżowane nogi. Skonstruowany został przez izraelskiego naukowca Amita Goffera. On sam ma sparaliżowane ręce i nogi, co uniemożliwia mu korzystanie z własnego wynalazku. ReWalk jest dla osób mających władzę w ramionach i zdrowe kości. Jako pierwszy z pomocy ReWalka skorzystał izraelski eksspadochroniarz Radi Kaiof. Stracił władzę w nogach po jednym ze skoków. Przez 20 lat poruszał się tylko na wózku inwalidzkim.

ReWalk działa trochę inaczej niż inne egzoszkielety, jest mniejszy i lżejszy, akumulator ma w małym płaskim plecaku. Osoba korzystająca z ReWalka nosi na nadgarstku pilot, na którym wybiera odpowiednie polecenia: „wstań”, „usiądź”, „idź”, „wspinaj się”. Po wybraniu funkcji lekko pochyla się do przodu i uaktywnia urządzenie.

– Nie wierzyłem, że będę chodził – mówi Radi Kaiof. – Teraz mogę spacerować z innymi ludźmi, rozmawiać twarzą w twarz, a nawet wchodzić do niedostosowanych obiektów.

Kate Parkin, fizjoterapeutka, dodaje, że ReWalk pomaga na dwa sposoby. – Ludzkie ciało zachowuje się inaczej, gdy jest w pionie. Działają wtedy inne mięśnie i dochodzi do wypełnienia płuc tlenem. Poza tym możliwość utrzymania postawy pionowej ma ogromne znaczenie psychologicznie, bo pozwala osobie niepełnosprawnej na kontakt wzrokowy z rozmówcą.

ReWalk ma w 2010 roku wejść do produkcji i będzie kosztował tyle, ile dobrej klasy wózek inwalidzki.