Jednym z ważniejszych systemów w organizmie człowieka jest układ mięśniowy. Składa się on z dwóch rodzajów mięśni: gładkich oraz poprzecznie prążkowanych. Te pierwsze odpowiedzialne są za tzw. ruchy bezwiedne – to dzięki nim źrenice rozszerzają się w mroku, funkcjonuje nasz układ oddechowy czy trawienny. Te drugie decydują o naszych możliwościach motorycznych. Szkieletowe mięśnie poprzecznie prążkowane umożliwiają nam poruszanie się, podnoszenie ciężarów i wykonanie różnych działań za pomocą rąk i nóg. Przez wieki nasz układ mięśniowy wystarczał nam do życia. Z czasem okazało się, że potrzebujemy wspomagania. Zaczęliśmy od prostych narzędzi i wykorzystywania pracy zwierząt silniejszych od nas, dziś poruszamy się w skali globalnej za pomocą zbudowanej przez naszą cywilizację sieci transportowej. Nie wszędzie jednak można dotrzeć pojazdem, dlatego wiele ośrodków badawczych już od dłuższego czasu zajmuje się opracowywaniem specjalnych, montowanych na zewnątrz ciała powłok zwanych egzoszkieletami.
Pierwszy był Hardiman
Jaki ciężar jesteś w stanie podnieść? 20-, 30-, 50 kg? Mariusz Pudzianowski w swojej najlepszej formie był w stanie unieść sztangę o wadze 380 kg, co wcale nie jest najwyższym wynikiem. Lepszy od niego okazuje się inny Polak: mistrz świata w trójboju siłowym, pochodzący z Suwałk Daniel Grabowski. Oderwał on od ziemi sztangę ważącą aż 445 kg – to jednak już jest rezultat bliski absolutnej granicy możliwości ludzkiego układu mięśniowego, a jego osiągnięcie warunkują lata wyczerpującego treningu.
Hardiman Już w latach 60. XX wieku amerykańscy naukowcy zatrudnieni przez korporację General Electric pracowali nad projektem Hardiman. Założeniem projektu rozpoczętego w 1965 roku było stworzenie egzoszkieletu umożliwiającego człowiekowi podniesienie praktycznie bez najmniejszego wysiłku 680 kg. Ambitne plany inżynierów amerykańskiej firmy okazały się jednak zbyt śmiałe. Prototyp urządzenia nie działał prawidłowo, pojawiały się trudne do wyeliminowania drgania i niekontrolowane ruchy. W efekcie nigdy nie doszło do faktycznych testów z nakładaniem działającego egzo-szkieletu na człowieka (na załączonej fotografii widoczny jest co prawda człowiek “ubrany” w Hardimana, ale urządzenie nie zostało uruchomione). Założenia zmieniono i w dalszych fazach celem projektu Hardiman było opracowanie nie całego mechanicznego szkieletu wspomagającego ludzką pracę, lecz “tylko” ramienia. W tym przypadku ramię miało zapewnić zdolność podniesienia 340 kg. Taki ciężar jedną ręką? Imponujący wynik, nieprawdaż? Owszem, ale uzyskany nieefektywnie. Sam ciężar ramienia Hardimana wynosi 3⁄4 tony, zatem dwukrotnie więcej od masy, którą za pomocą urządzenia można było podnieść. Urządzenie ze względu na swoje gabaryty miało bardzo ograniczoną użyteczność i nie było mobilne (trudno wyobrazić sobie, by człowiek miał dźwigać ponad 700 kilogramowe ramię, by móc za jego pomocą podnieść 340 kg. Ostatecznie projekt Hardiman został zakończony w 1971 roku, nie doczekawszy się zastosowań w praktyce. Cóż, początki bywają trudne.
Robot HAL
Japońska firma Cyberdyne woli, by jej produktu nie nazywać egzoszkieletem, lecz robotem-cyborgiem. Projekt HAL (skrót od Hybrid Assistive Limb), bo o nim mowa, to efekt pracy naukowców z japońskiego Uniwersytetu w Tsukubie oraz specjalizującej się w robotyce firmy Cyberdyne. HAL od początku był projektem niemilitarnym. Głównym celem przyświecającym twórcom było opracowanie urządzenia, które pozwoli wspierać i rozwijać fizyczne możliwości użytkowników, w szczególności tych niepełnosprawnych fizycznie.
Pierwszy prototyp urządzenia z serii HAL powstał jeszcze w ubiegłym wieku, w 1997 roku. Zbudował go zespół pracujący pod kierunkiem profesora Yoshiyukiego Sankai z Uniwersytetu w Tsukubie – prace trwały kilka lat, a ich efektem w znacznym stopniu były pionierskie rozwiązania. Na przykład w latach 1990–1993 Sankai zajmował się głównie mapowaniem neuronów odpowiedzialnych za sterowanie mięśniami nóg, kolejne cztery lata zajęło opracowanie odpowiedniego oprzyrządowania, które w dość krótkim czasie reagowałoby na wydawane przez człowieka polecenia.
Jedna z dwóch produkcyjnych wersji egzoszkieletów produkowanych przez japońską firmę Cyberdyne, model HAL 3.
Pierwsze wersje egzoszkieletu HAL były stosunkowo mało praktyczne. Na przykład opracowany w 2000 roku prototyp trzeciej generacji miał ciężki akumulator (22 kg) i był tak skomplikowany w “ubieraniu”, że użytkownikowi zakładającemu egzoszkielet musiały pomagać dwie osoby. W ciągu kolejnych lat udało się rozwiązać problemy z masą urządzenia i prostotą jego używania. Obecnie Cyberdyne oferuje dwie produkcyjne wersje egzoszkieletu: HAL 3 – sterujący wyłącznie nogami, oraz HAL 5 – będący pełnym kombinezonem (nogi, ręce i tułów), mimo to ważącym zaledwie 10 kg i wymagającym pomocy w zależności od stanu pacjenta (osoba o pełnej sprawności może założyć egzoszkielet samodzielnie).
Jak działa HAL? Gdy użytkownik robota usiłuje zmienić swoją pozycję, sygnały nerwowe są wysyłane z mózgu do mięśni przez neurony ruchowe (tzw. neurony eferentne) i docierają do komórek efektorowych, specjalnej grupy komórek mięśniowych (a także gruczołowych) reagujących na impuls neuralny. Gdy takie zdarzenie nastąpi, biosygnały można wykryć również na powierzchni skóry. Fakt ten wykorzystywany jest przez specjalny system sensorów, w które wyposażono HAL-a. Robokombinezon rejestruje te sygnały i na ich podstawie wspiera bądź wzmacnia ruch użytkownika. Wbudowany w HAL system kontroli ruchu działa w dwóch trybach (o ich wyborze decyduje użytkownik): w trybie wspierania ruchu (dotyczy sytuacji, gdy człowiek noszący HAL-a ma zdolność samodzielnego poruszania się) oraz w trybie autonomicznym umożliwiającym poruszanie się np. paraplegikom, którzy nie mogą samodzielnie wywołać ruchu mięśni, ale mogą przekazać systemowi HAL zamiar ruchu w sposób interpretowalny przez sensory, komputer pokładowy i system siłowników.
HAL 5 Lata pracy japońskich naukowców znalazły uznanie w wielu ośrodkach medycznych. W 2008 roku HAL 3 i HAL 5 zostały dopuszczone do użytku medycznego. Do końca 2012 roku już ponad 300 tego typu urządzeń funkcjonowało na oddziałach rehabilitacyjnych ponad 120 japońskich szpitali i placówek medycznych. W 2013 roku produkty z serii HAL zostały pierwszymi na świecie egzoszkieletami, które uzyskały globalny certyfi kat bezpieczeństwa. Urządzenia te mają też certyfi kat EC dopuszczający ich użycie w placówkach medycznych na terenie całej Unii Europejskiej.
Egzoszkielety w Polsce
Egzoszkielety wspierające rehabilitację pacjentów niepełnosprawnych znajdują się również w Polsce. Gliwicka firma Technomex w kwietniu 2014 roku sprowadziła do naszego kraju dwa egzemplarze rehabilitacyjnych egzoszkieletów EKSO GT. Jedno z urządzeń znajduje się na stałe w centrum rehabilitacyjnym gliwickiej placówki, drugie jeździ po Polsce, odwiedzając wiele placówek medycznych. Na przykład w sierpniu 2014 roku z urządzenia EKSO GT mogli skorzystać pacjenci oddziału rehabilitacyjnego wrocławskiego Szpitala im. Marciniaka, we wrześniu 2014 urządzenie trafiło do lubelskiego 1. Szpitala Wojskowego. Sprowadzone do Polski przez Technomex urządzenia to produkty amerykańskiej firmy Ekso Bionics, przeznaczone do celów rehabilitacyjnych. Egzoszkielety EKSO GT od strony technicznej mogą pomóc praktycznie każdemu pacjentowi z niedowładem kończyn dolnych, ale niektóre schorzenia uniemożliwiają skorzystanie z tej formy terapii.
EKSO GT EKSO GT zdaniem wielu ekspertów umożliwia osobom niepełnosprawnym chód bardzo zbliżony do naturalnego, ale istnieje również szereg przeciwskazań do zastosowania go. Są to m.in. takie schorzenia jak: przykurcze w kolanach przekraczające 20 stopni, zdeformowane stopy czy zaawansowana osteoporoza stwarzająca ryzyko uszkodzenia kości podczas stania i chodu. Z drugiej strony EKSO GT stanowi szansę dla bardzo szerokiej grupy pacjentów, których chód jest upośledzony w wyniku np. urazów czy chorób neurologicznych. Przy braku przeciwskazań z egzoszkieletu mogą korzystać osoby po wypadkach z uszkodzonym rdzeniem kręgowym, po udarach czy urazach czaszkowych. Ostatecznej kwalifikacji dokonuje ekspert gliwickiego ośrodka Fizjofit – jedynego miejsca w Polsce, gdzie na stałe znajduje się egzoszkielet EKSO GT. Podobnie jak wcześniej wspomniany egzoszkielet HAL również EKSO GT jest zasilany z akumulatora nakładanego razem z pozostałą częścią urządzenia. Ruchy maszynerii są wykonywane autonomicznie przez system silników, co umożliwia poruszanie się nawet osobom, które całkowicie utraciły funkcje nerwowo-mięśniowe. Osoby z minimalną sprawnością przedramion są w stanie przekazywać urządzeniu polecenia wstawania i chodzenia.
EKSO GT nie tylko umożliwia w ogóle poruszanie się osób niepełnosprawnych, ale – jak na urządzenie rehabilitacyjne przystało – uczy prawidłowych wzorców chodu. Nie bez znaczenia jest też to, że dzięki temu urządzeniu znikają dolegliwości charakterystyczne dla sytuacji, gdy pacjent ma unieruchomione dolne partie ciała (bóle, obrzęki itp.). Dzięki korzystaniu z EKSO GT poprawia się krążenie czy praca jelit, a przede wszystkim samopoczucie pacjenta. Ekso Bionics oferuje rehabilitacyjny egzoszkielet od 2013 roku i w zasadzie urządzenie może kupić każdy zainteresowany. Teoretycznie, bo w praktyce dla wielu barierą nie do pokonania będzie cena, która na rynku amerykańskim w zależności od modelu wynosi ok. 100 –150 tysięcy dolarów.
Militaria
Celowo pomijaliśmy dotychczas militarne zastosowania egzoszkieletów, jednak trudno nie zauważyć, że to właśnie agendy rządowe wspierające projekty militarne w poszczególnych krajach wykładają spore środki na opracowanie urządzeń, które z i tak często doskonale wytrenowanych ludzi zrobią superżołnierzy.
W listopadzie 2007 roku amerykańska firma Berkeley Bionics (w 2011 zmieniła nazwę na Ekso Bionics – ta sama, która zaprojektowała wspomniany wcześniej rehabilitacyjny model EKSO GT) po raz pierwszy udostępniła publicznie informacje na temat pierwszej generacji egzoszkieletu polowego o nazwie ExoHiker. Projekt ten ukończono już w w 2005 roku. W fazie rozwojowej twórcy od podstaw planowali zbudowanie dwóch odrębnych typów urządzenia. Pierwszym były zastosowania typowo militarne, drugim – pomoc ludziom niepełnosprawnym (w tym przypadku rezultatem komercyjnym jest wspomniany wcześniej, sprowadzony do polski egzoszkielet EKSO GT). ExoHiker to mechanizm składający się z dwóch antropomorficznych nóg, systemu zasilania, mikrokomputera oraz umieszczonego w tylnej części zasobnika umożliwiającego zamontowanie ładunku o wadze do 100 kg. Oczywiście dzięki urządzeniu przenoszenie takiego ładunku przez człowieka nie wymaga praktycznie
żadnego wysiłku. Zaawansowany zespół siłowników nie tylko pozwala przenosić na plecach ładunki o dużej masie, ale też kompensuje siły bezwładnościowe wpływające na człowieka, np. podczas marszu po schodach czy wykonywania różnych czynności, jak robienie uników, zmiany pozycji, czołganie się. Ponieważ w tym przypadku mamy do czynienia z systemem polowym, Exo-Hiker musi dać się łatwo przenosić, gdy nie jest używany. Warunek ten również został spełniony. Urządzenie waży 14 kg (łącznie z bateriami), po złożeniu mieści się do niezbyt dużego pudła, a jego rozłożenie i nałożenie zajmie wyćwiczonej osobie – a tego zwykle oczekuje się od żołnierzy – zaledwie kilka sekund i nie wymaga pomocy dodatkowych osób.
Najnowszym projektem jest egzoszkielet trzeciej generacji – HULC (Human Universal Load Carrier). W projekcie tym opracowanym również przez Ekso Bionics, ale należącym już do firmy Lockheed Martin – jednego z gigantów zbrojeniowych świata – wykorzystano doświadczenia zdobyte podczas pracy z ExoHikerem. HULC jest urządzeniem, za pomocą którego osiągnięto dwa cele: zwiększono udźwig i wytrzymałość człowieka. Komputer pokładowy egzoszkieletu nie tylko odpowiada za koordynację mechaniczną powłoki, ale dodatkowo analizuje puls i oddech człowieka, by maksymalnie zredukować zmęczenie i umożliwić dłuższe realizowanie misji. Zgodnie z danymi producenta podczas
badań prototypu osiągnięto 15-procentową redukcję zużycia tlenu przez człowieka maszerującego z prędkością 2 mil na godzinę (ok. 3,22 km/h). Oczywiście taka prędkość to spacerek, a możliwości HULC-a są większe – dzięki temu systemowi żołnierz może przez dłuższy czas poruszać się z prędkością 16 km/h, dźwigając ładunek o wadze ok. 100 kg.
Swój projekt egzoszkieletu ma też inny gigant zbrojeniowy – amerykański Raytheon. Produkt o nazwie XOS 2 nie jest jednak bezpośrednim konkurentem systemu HULC, gdyż w tym przypadku nie mamy do czynienia z systemem polowym, lecz w zasadzie stacjonarnym – XOS 2 wymaga połączenia kablowego do zasilania. Podstawową dziedziną, w której wykorzystuje się XOS 2, jest logistyka – chodzi tu np. o załadunek ciężarówek czy uzbrojenia samolotów bojowych. Przedstawiciele Raytheona przewidują masowe wprowadzenie zasilanych kablowo w ciągu najbliższych 5 lat. Wersje polowe z autonomicznym zasilaniem mają być wprowadzone do armii w ciągu najbliższych 8 lat.