Robotyczna proteza dłoni – jak to działa?

Od zarania dziejów człowiek boryka się z utrzymaniem ciała w jak najlepszej kondycji – zarówno zdrowotnej, jak i ruchowej. Problemem są różnego rodzaju schorzenia i kontuzje. Wielu z nas miało okazję oglądać scenę z filmu „Robocop” (2014), w którym człowiek po utracie obu rąk odzyskał możliwość grania na gitarze dzięki robotycznym protezom dłoni. To już nie jest fikcja czy efekt CGI! Dzisiaj potrafimy rozwiązywać takie problemy i uczymy się robić to coraz lepiej dzięki zupełnie nowej gałęzi nauki, którą jest cybernetyka. Oczywiście stan wiedzy nie stoi jeszcze na takim poziomie, jak wynikałoby to z fabuły filmu, ale eksperci dążą do niego i… są już coraz bliżej.

 

Proteza dłoni… w kształcie dłoni

Jednym z ważniejszych problemów, które stoją przed użytkownikami robotycznych rąk, jest fakt, że ruchy protezy dłoni są znacząco ograniczone rodzajem zastosowanych przegubów i przez to bardzo różnią się od naturalnych, często uniemożliwiając wykonywanie podstawowych czynności. Pomysł na rozwiązanie przyszedł ze Stanów Zjednoczonych.

 

Przedstawiony przykład pochodzi z University of Washington w Seattle – to dzieło Zhe Xu i Emanuel Todorov. Naturalne, ludzkie dłonie są najlepszym istniejącym modelem tego rodzaju manipulatora, ponieważ przez miliony lat ewoluowały i stawały się coraz doskonalej przystosowane do wykonywania różnych czynności – to właśnie dlatego tych dwóch inżynierów postanowiło skorzystać z rozwiązań zaczerpniętych wprost z ludzkiego ciała. Cały pomysł opiera się na stworzeniu szkieletu dłoni, składającego się z elementów w kształcie ludzkich kości. Dla przykładu – trapezowa, nieregularna kość kciuka nie ma stałego rozmieszczenia przegubów (takich, jakie były stosowane w większości tego typu projektów), więc żadna z istniejących bioprotez nie umożliwia naturalnych ruchów. Zastosowanie projektu z ludzkich kości umożliwia takie działanie.

Problematyczne okazuje się połączenie kości, uzyskanie odpowiednich materiałów zapewniających poślizg między nimi (odpowiednik stawów) oraz fakt, że cały napęd robotycznej ręki znajduje się w poza jej obrębem. Natomiast rodzaj zastosowanych przegubów sprawdza się zaskakująco dobrze. Takie podejście może być punktem wyjścia dla robotyków tworzących nowe technologie w dziedzinie nowoczesnej protetyki.

 

Robotyczna ręka - Innovating Automation

 

Komercyjnie stosowana dłoń Bebionic

Bebionic to komercyjna robotyczna ręka, która z powodzeniem sprawdza się już u wielu niepełnosprawnych osób. Sterowanie odbywa się przy pomocy MIO-sygnałów – impulsów mięśniowych (sygnały EMG). Proteza dłoni umożliwia wykonywanie 14 różnych ruchów, pojedynczy palec może unieść ciężar do 50 kg, a kciuk posiada specjalny system zmiany pozycji (w dwóch ułożeniach) – taka konstrukcja umożliwia stosowanie większej liczby użytecznych chwytów. Efekty tak przemyślanej budowy dłoni można obejrzeć na zamieszczonym filmie.

Robotyczna dłoń Bebionic wykonana w Polsce przez firmę V!GO:

Model protezy Bebionic small – wersja idealna dla kobiety:

Niestety, zakup takiej dłoni wiąże się z kosztem na poziomie około 30 tysięcy złotych, a NFZ nie dofinansowuje takich produktów pacjentom. Jednak wraz z rozwojem tej technologii jej dostępność dla większej liczby niepełnosprawnych prawdopodobnie będzie wzrastać.

 

Nowoczesna protetyka w Polsce

Protezy sterowane myślą

Robotyczna dłoń Bebionic i projekt z Seattle są dziełem naukowców z zagranicy, jednak w Polsce również stale trwają prace nad rozbudową tej dziedziny nauki. Kilka lat temu na wydziale Elektroniki we Wrocławiu powstała Katedra Cybernetyki i Robotyki. Wykłada tam między innymi dr Andrzej Wołczowski, który zachęca studentów do reksplorowania tego obszaru i sam stale prowadzi badania dotyczące rozpoznawania biosygnałów oraz budowy taniej w produkcji bioprotezy ręki. We współpracy z uczelnią AWF, studenci wraz z prowadzącymi starają się zrozumieć i ulepszyć rozpoznawanie sygnałów, jakie wytwarzają mięśnie podczas pracy dłoni, a także sygnałów wysyłanych przez mózg do mięśni. Dowiedziono między innymi, że człowiek pozbawiony kończyny może sterować protezą, używając jedynie sygnałów z mózgu, które są wysyłane naturalnie w trakcie poruszania kończynami. Pacjent, który urodził się bez kończyny, jest w stanie nauczyć się nią posługiwać (mimo fizycznego braku) dzięki instrumentom wyłapującym i przetwarzającym sygnały z mózgu oraz wizualizacji sterowanej kończyny na komputerze. W przyszłości, kiedy człowiek będzie potrafił odpowiednio przetworzyć i połączyć otrzymany sygnał, wizualizacja będzie mogła zostać zastąpiona fizyczną, robotyczną protezą ręki.

 

Projekt robotycznej ręki

Doktor Wołczowski prowadzi również projekty studenckie, dzięki którym powstają coraz nowsze pomysły i patenty mogące zapewnić lepsze życie poszkodowanym osobom, które nie dysponują wystarczającą ilością pieniędzy na inne nowoczesne protezy. Przykładem może być pewna dłoń wykonana przez studenta – jej projekt zakładał sześć osobnych napędów umieszczonych w cienkim śródręczu, które miały sterować pięcioma palcami. Dzięki specjalnej konstrukcji kciuk mógł poruszać się w dwóch płaszczyznach, pierwszy palec miał zginać się w dwóch miejscach, a trzeci i czwarty – składać się razem. Na pierwszym paliczku każdego z palców znajdował się czujnik poślizgu (również stworzony na PWR), nacisku i temperatury. Sygnały zebrane z sensorów miały trafiać do człowieka za pomocą „sprzężenia zwrotnego do człowieka” (projekt urządzenia wykonany również na PWR), które informowało go różnymi bodźcami o stanie ręki (na przykład “gorąco”, “zimno”, “szorstka powierzchnia”). Z istniejącej części ręki poszkodowanego miały być zbierane sygnały i przesyłane do części logicznej, czyli płytki drukowanej z wbudowanym mikroprocesorem. Na nim miały być zaimplementowane algorytmy, które sterowały każdym z urządzeń i przetwarzały otrzymane bio-sygnały na odpowiednie gesty dłoni. Wszelkie plastikowe części potrzebne do stworzenia fizycznych wizualizacji takiego systemu były drukowane na komercyjnych lub własnoręcznie wykonanych drukarkach 3D. Każda z części projektu była wykonywana przez różnych studentów w ramach projektów dyplomowych lub zajęć laboratoryjnych, wspomaganych przez doktora Wołczowskiego.

Proteza dłoni - projekt robotycznej ręki - Innovating Automation

 

Drukarki 3D to przyszłość nowoczesnej protetyki

Proteza dłoni z Internetu

Dzisiejsza technologia, jej rozwój i ogólna dostępność automatyki przemysłowej pozwala na stosowanie rozwiązań rodem z filmu science fiction. W sieci można znaleźć dużą liczbę projektów różnego typu obiektów do druku 3D – na przykład protezy dłoni. Ich część to tak zwane open source – oznacza to, że darmowo można ściągnąć gotowy projekt, dowolnie go zmodyfikować i wydrukować. Posiadając środki oscylujące między 2 a 3 tysiącami złotych, można zakupić akceptowalnej jakości sprzęt drukujący w 3D. Zatem aby móc wydrukować taką dłoń, wystarczy posiadać odpowiedni projekt oraz drukarkę 3D lub po prostu zamówić jego druk w jednej z firm oferujących takie usługi. Koszt uzyskania robotycznej protezy w ten sposób może być nawet kilkaset razy niższy niż w przypadku zakupu komercyjnej dłoni! Doskonałym przykładem  jest przypadek pracownika firmy specjalizującej się w druku 3D, który urodził się bez lewej dłoni. Postanowił wydrukować i złożyć sobie z zakupionych części dłoń z projektu open source. Wcześniej korzystał on z komercyjnej protezy zakupionej za 42.000$, natomiast koszt wydrukowanego egzemplarza wyniósł 50$ (1/840 ceny protezy zakupionej wcześniej) i okazała się ona nawet bardziej funkcjonalna.

Poniżej można obejrzeć uzyskany przez pacjenta efekt:

 

Drukarki 3D – przełom w nowoczesnej protetyce

Polska firma 3DGence zasłynęła niedawno ze swojej drukarki 3D, za której sprawą powstała proteza żebra z nylonu. Element ten z powodzeniem został wykorzystany w Bułgarii do operacji, podczas której wszczepiono sztuczne żebro człowiekowi. Pacjent miał nowotwór, a jego usunięcie wymagało wycięcia żebra – zostało ono zastąpione przez żebro wykonane w technologii druku 3D. W ten sposób idealnie oddano prawidłową grubość i wygięcie implantu. Takie rozwiązania stwarzają nowe możliwości w medycynie – w łatwy, szybki sposób można stworzyć indywidualnie dopasowany implant dla każdego pacjenta. Wszystkie akcje 3DGence zostały natychmiast wykupione. Firmy osadzone w branży nowych technologii i przemysłu również zaopatrują się w taki sprzęt, planując współpracę i wspólne akcje. Jedną z nich jest Balluff, który już w tym roku będzie pracował z 3DGence nad wspólnymi inicjatywami.

Nowoczesna potetyka - automatyka przemysłowa - Balluff Innovating Automation

 

Rozwój cybernetyki ma realny wpływ na życie każdego z nas. Dzisiejsze technologie pozwalają na uratowanie lub ułatwienie życia wielu poszkodowanym osobom, a w połączeniu z inicjatywami takimi jak open source’owe projekty druku 3D pozwalają, by ta technologia stała się dostępna dla każdego. W przyszłości, dzięki rozwijającym się technologiom, osoby niepełnosprawne będą mogły zapomnieć o trudnościach życia codziennego, z jakim dziś się borykają. Rozwój cybernetyki pomoże nie tylko ludziom poszkodowanym – zdrowy człowiek będzie mógł zyskać zupełnie nowe możliwości – na przykład uzyskać dodatkowe kończyny. Możliwości te ilustrują między innymi dwa roboty Da Vinci, które posiadamy w Polsce. Mają one ramiona zastępujące ludzkie ręce – umożliwiają niespotykaną wcześniej precyzję, z której korzystają lekarze podczas niektórych operacji.