Egzoszkielet -

materiały, sterowanie, zastosowanie

Pracę wykonała:

Patrycja Ewiak

Kl. I LO- profil policyjny

Opiekun: Rafał Głowiński

78-220 Tychowo

str. 2

Spis treści:

1. Definicja 2. Historia 3. Przykładowy podział

1. XOS 2 2. HULC 3. HAL 5 4. EKSO 5. ReWalk 6. BLEX 2 7. Big Dog

4. Materiały 5. Sterowanie 6. Zalety, wady, korzyści 7. Zastosowanie 8. Przyszłość 9. Bibliografia

str. 3

1. Definicja Egzoszkielet lub pancerzyk – mocowana na zewnątrz ciała powłoka, której celem jest wzmocnienie siły mięśni użytkownika. Egzoszkielet może wzmacniać wszystkie partie mięśni lub tylko niektóre (np. sztuczne ramię), jest układem mechatronicznym- szczególna forma robota. Szkielet taki posiadają niektóre zwierzęta: owady, np. szarańcza, karaluchy; skorupiaki, np. kraby, homary; mięczaki, np. ślimaki, małże. 2. Historia Pierwsze pionierskie pomysły stworzenia egzoszkieletu pochodzą z 1890 roku. Nikołaj Jagn w USA opatentował (patent nr US 420179 A) „Apparatus for facilitating walking, running and jumping”(rys.1). Był to pancerz wykonany z drewna, którego celem było zwiększenie prędkości żołnierza podczas wielokilometrowego marszu. Konstrukcja ta była inspiracją do dalszych poszukiwań właściwego rozwiązania. W latach sześćdziesiątych ubiegłego stulecia, firma General Electric wraz z zespołem naukowców z uniwersytetu Comell w Ithaca, rozpoczęła prace nad projektem konstrukcji elektryczno-hydraulicznego skafandra wspomagającego wysiłek fizyczny człowieka. W wyniku podjętych prac udało im się skonstruować urządzenie zwane "Hardiman"(rys. 2). Umożliwiało ono podniesienie ciężaru ok. 700 kg za pomocą jednej ręki. Odczuwalny ciężar wynosił zaledwie 20 kg. Pomimo sukcesu projektu okazało się, że jego użyteczność jest znikoma. Nie ukrywano faktu, że początkowe egzemplarze kosztowałyby bardzo dużo.

Ich ograniczona możliwość w zakresie mobilności oraz skomplikowany system zasilania dyskwalifikowały utylitarność praktyczną urządzenia. W trakcie testów okazało się, że "Hardiman" jest w stanie podnieść jedynie 350 kg, a przy dłuższym użytkowaniu posiadał tendencje do wykonywania niebezpiecznych, nieskoordynowanych ruchów. Od dalszego rozwoju prototypu odstąpiono i skonstruowano tylko jedno ramię. Urządzenie ważyło ok. 250 kg, lecz było tak samo niepraktyczne jak poprzedni egzoszkielet. Ostatecznie odstąpiono od dalszych badań. Pomimo

Rys. 1

Rys. 2

str. 4

tego, idea budowy egzoszkieletu, który wspomagał pracę ludzkich mięśni, stała się inspiracją dla innych naukowców, wizjonerów, a także reżyserów filmów science-fiction.

W latach 80. ubiegłego wieku zaprojektowany został egzoszkielet o nazwie PITMAN. Ideą sterowania urządzenia były czujniki skanujące powierzchnie czaszki, umieszczone w hełmie. Jak na ówczesny postęp technologiczny, była to konstrukcja zbyt wymagająca. Ograniczeniami były tutaj komputery i ich moc obliczeniowa, która była wielce nieadekwatna do oczekiwanych rezultatów. Poza tym przetwarzanie sygnałów pochodzących z mózgu i zamiana ich na ruch egzoszkieletu były nieprawdopodobne. Rzeczywiste efekty w postaci autonomicznych rozwiązań o znaczeniu praktycznym udało się osiągnąć dopiero na początku XXI wieku w ramach projektu Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. Oprócz zastosowań militarnych rozwijane są obecnie projekty o charakterze cywilnym. Laboratorium Robotics & Human Engineering jest w trakcie badań nad następującymi rozwiązaniami: "ExoHiker" - to egzoszkielet przeznaczony głównie dla uczestników wypraw na dużych dystansach , gdzie istnieje konieczność przetransportowania ekwipunku o znacznym ciężarze, "ExoClimber" jest egzoszkieletem przeznaczonym dla osób pokonujących duże wzniesienia, "Medical Exoskeleton" to egzoszkielet przeznaczony tylko dla osób z upośledzeniem ruchowym kończyn dolnych.

Najbardziej zaawansowanym technologicznie projektem egzoszkieletu przeznaczonego dla celów militarnych jest rozwijany od 2009r. HULC (Human Universal Load Carrier) firmy Lockheed Martin. Konstrukcja egzoszkieletu o masie 23 kg umożliwia przenoszenie ładunków o masie do 90 kg z prędkością maksymalną 16 km/h. Ośrodki azjatyckie tworzyły rozwiązania z myślą o wspomaganiu układu ruchowego ludzi w aspekcie cywilnym. Japoński naukowiec Yoshiyuki Sankai z Graduate School of Systems and Information Engineering na Tsukuba Univerisity opracował w 1999 roku egzoszkielet nazwany HAL-1 (Hybrid Assistive Limb, pierwszej generacji), następnie opracował w 2001 roku HAL-3 (Hybrid Assistive Limb, trzeciej generacji). Ostatnim opracowanym przez naukowca egzoszkieletem w 2005 roku był HAL-5 (Hybrid Assistive Limb, piątej generacji). Jego egzoszkielet składał się z napędzanego silnikiem metalowego szkieletu pokrytego tworzywem sztucznym, w którym schowane są wszystkie elementy sterujące. Konstruktor HAL-a twierdzi, że kolejne etapy modernizacji egzoszkieletu będą prowadziły w kierunku stworzenia cienkiego kombinezonu, który umożliwi użytkownikowi swobodne ruchy, a nawet bieg.

Innym ciekawym rozwiązaniem przeznaczonym dla osób zniedołężniałych, dla których jedyną alternatywą byłby wózek inwalidzki jest tzw. asystent chodu - rodzaj egzoszkieletu, który pomaga podnosić nogi i usprawnia marsz, dając upragnioną samodzielność. Asystent waży prawie 3 kg i dzięki wykorzystaniu silników elektrycznych ułatwia podnoszenie nóg. Ta technologia jest ubocznym produktem badań nad robotem - humanoidem ASIMO. Ma być wykonany w rozmiarze małym, średnim i dużym. Założą go osoby szczupłe i otyłe. Wynalazek opracował Fundamental Technology Research Center japońskiego koncernu Honda R&D. W Europie ośrodki badawcze skoncentrowały się na tworzeniu cybernetycznych rozwiązań pojedynczych części ciała. Stworzyli pierwszą na świecie zrobotyzowaną botanicznie rękę, jako protezę. Każdy palec działa osobno i jest sterowany przez właściciela za pomocą impulsów mioelektrycznych. Bioproteza jest zaopatrzona w silikonową rękawiczkę, która imituje fakturę i kolor skóry, a nawet drobne żyłki tak, że z trudem można odróżnić rękę prawdziwą od sztucznej. LIMB to pierwsza proteza, kóra może poruszać nadgarstkiem a nawet palcami w sposób maksymalnie zbliżony do naturalnych ruchów. Egzoszkielety medyczne mogą w istotny

str. 5

sposób przyczynić się do odzyskania albo zastąpienia utraconych lub ograniczonych funkcji motorycznych, poprawiając samodzielność i jakość życia pacjenta. 3. Przykładowy podział (na podstawie opracowania Emilia i Dariusz Mikołajewscy)

1. XOS 2 (rys. 3) jest kontynuacją egzoszkieletu XOS. Nowa konstrukcja jest przede wszystkim lżejsza i wytrzymalsza. Sterowanie XOS oparte jest o 30 siłowników, które pełnią funkcję sztucznych stawów. Konstrukcja przypomina cyborga. Urządzenie zawiera liczne czujniki, przekazujące poprzez komputer sterujący sygnały do siłowników sterujących. W ten sposób następuje płynne i ciągłe sterowanie, w taki sposób, aby użytkownik nie odczuł żadnego znacznego wysiłku. Masa XOS to 68 kg. Egzoszkielet ten umożliwia statyczne podnoszenie ładunków o masie do 90 kg.

2. HULC (rys. 4) Nadaje się dla grup

operacyjnych działających w polu oraz dla służb szybkiego reagowania i antyterrorystycznych. Dominującym materiałem wykorzystanym w egzoszkielecie jest tytan. Tytan to lekki materiał o wysokich właściwościach mechaniczno-wytrzymałościowych, lecz stosunkowo drogi. Egzoszkielet wyposażony został w przyssawki pozwalające na przenoszenie obiektów o masie do 68 kg (lift assist device). HULC zasilany jest czterema

akumulatorami litowo-polimerowymi, pozwalającymi na właściwe działanie urządzenia przy optymalnym obciążeniu w czasie do 20 h. Egzoszkielet był testowany w różnych warunkach pola walki oraz przy różnorakim obciążeniu. Po serii pomyślnych testów był on jesienią 2012 roku testowany w Afganistanie podczas konfliktu zbrojnego. Pozwala biegać z ładunkiem. Samo założenie egzoszkieletu zajmuje zaledwie 30 sekund. Nawet jeśli skończą się baterie egzoszkielet

Rys. 3

Rys. 4

str. 6

nadal zachowuje swoje funkcje, nie utrudniając przy tym pracy żołnierzowi. Zdjęcie egzoszkieletu trwa parę sekund, co ułatwia ucieczkę w krytycznych momentach. 3. HAL 5 (rys. 5) jest czterokończynowym (choć dostępna jest również wersja tylko na kończyny dolne) egzoszkieletem medycznym, produkowanym przez japońską firmę Cyberdyne Inc. we współpracy z Uniwersytetem w Tsukubie. Przy masie 23 kg zapewnia autonomiczność 2 godziny 40 minut, zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz. Umożliwia wspomaganie podnoszenia ciężkich przedmiotów. Rozmieszczenie elementów sterujących i napędowych w pojemnikach wewnątrz obudowy umożliwiło pozbawienie HAL-a 5 tak charakterystycznego dla większości egzoszkieletów "plecaka", który upodabniał go do wielkiego owada. Osoby z nadciśnieniem, osteoporozą oraz wszelkimi chorobami serca przed użytkowaniem HAL-a powinny skonsultować się z lekarzem. Jako przeciwwskazania wymienia się rozrusznik serca i ciążę. W ramach programu HAL FIT firma oferuje możliwość skorzystania z sesji terapeutycznych z egzoszkieletem osobom chorym, a także zdrowym.

4. Ekso (rys. 6) to amerykański egzoszkielet medyczny, produkowany przez firmę Ekso Bionics, dawniej znany jako Berkeley Bionics, wprowadzony na rynek w 2012r. Podobnie jak ReWalk, wymaga użycia kul. Projekt rozpoczął się w 2010 roku pod nazwą eLEGS-kombinezon był przeznaczony do szkolenia dla osób z różnymi stopniami paraliżu. Akumulator dostarcza energię przez co najmniej sześć godzin użytkowania. Garnitur Ekso może kosztować około $ 100,000. W Polsce realizowany jest projekt Egzoszkielet EKSO GT. EKSO GT jest to urządzenie medyczne – przeznaczone do pracy z pacjentami

neurologicznymi. Jego konstrukcja pozwala na wykonywanie chodu pacjentom po udarach, urazach rdzenia (całkowite do poziomu C7, lub częściowe – dowolny poziom), chorym na stwardnienie rozsiane, z syndromem Guillaina-Barrégo i innymi schorzeniami neurologicznymi. Urządzenie może pracować w kilku różnych trybach – w zależności od stopnia dysfunkcji pacjenta:

• FirstStep™ - terapeuta inicjuje ruch za pomocą przycisku. Użytkownik przechodzi z ruchów wstawania i użytkowania chodzika do chodu o kulach nawet po pierwszej sesji;

Rys. 5

Rys. 6

str. 7

• ActiveStep™ - użytkownik wyzwala kolejne ruchy za pomocą przycisków na chodziku lub kulach;

• ProStep™ - użytkownik wykonuje krok poprzez przesunięcie bioder w przód przy jednoczesnym ich skręceniu. EKSO GT™ rozpoznaje, że pacjent osiągnął optymalną pozycje i wykonuje krok;

• ProStep Plus™ - kroki są wyzwalane przez przenoszenie obciążenia przez pacjenta i inicjację ruchu kończyny w przód.

5. ReWalk jest egzoszkieletem medycznym na kończyny dolne, produkowanym przez izraelską firmę Argo Medical Technologies, wymagającym przez użytkownika użycia kul. Jako przeciwwskazania wymienia się schorzenia układu krążenia i łamliwość kości. Ograniczenie stanowi również dopuszczalny wzrost użytkowania w zakresie 1,6-1,9 m oraz waga ciała do 100 kg. Jest jedynym egzoszkieletem, w którym można prowadzić samochód.

6. BLEEX 2 system egzoszkieletu Berkeley zapewnia żołnierzom w przypadkach katastrof zdolność do przenoszenia większych obciążeń, takich jak żywność, sprzęt ratowniczy, zestaw pierwszej pomocy, sprzęt łączności i uzbrojenia przy minimalnym wysiłku na każdym rodzaju terenu. 7. BigDog Naukowcy z Foster-Miller z NASA Jet Propulsion Laboratory oraz Stacji Terenowej Harvard University Concord w 2005 roku wpadli na pomysł, aby stworzyć robota-psa w nadziei, że będzie mógł towarzyszyć żołnierzom w terenie. Projekt nazywał się „BigDog” i był finansowany przez DARPA, jednakże został

odrzucony, ponieważ był za głośny. BigDog wykorzystywał cztery nogi do ruchu, co pozwalało mu poruszać się po różnych powierzchniach . Nogi zawierają wiele czujników. BigDog posiadał również żyroskop laserowy oraz stereofoniczny system wizyjny. Wymiary BigDog długość: 0,91 m, wysokość:0,76 m, waga:110 kg. Był zdolny do pokonywania trudnego terenu, szybkość przemieszczania 6,4 km / h, udźwig 150 kg, pokonywał teren o nachyleniu do 35 stopni.

Rys. 8

Rys. 9

Rys. 10

str. 8

4. Materiały Aby skonstruować egzoszkielet, inżynierowie potrzebują lekkich materiałów, które mogą wytrzymać duże siły. Materiały takie jak stal i aluminium mają specyficzne zalety około 100 do 250 kNm/kg, podczas gdy włókna szklane około 1300 kNm/kg. Włókno węglowe oferuje szczególne zalety, ponad 2400 kNm/kg. Nowe technologie, takie jak nanorurki węglowe przekraczają 40.000 kNm/kg a wytrzymałość na rozciąganie 62 GPa. Nowe procesy i technologie koncentrują się na dążeniu do zmniejszenia wagi egzoszkieletu przy jednoczesnym zwiększeniu wytrzymałości. Przykładem może stop aluminium 6061, jest on powszechnie stosowany i łatwo dostępny. Jest również lekki i łatwy w obróbce. 5. Sterowanie Sterowanie egzoszkieletem może odbywać się na cztery sposoby:

a) sterowanie mechaniczne - osoba jest częściowo sprawna i ma możliwość kontrolowania egzoszkieletu manualnie, np. rękami za pomocą joysticka;

b) sterowanie głosem - osoba nie ma możliwości ruchowych, ma jednak możliwość wypowiadania komend głosowych, które są przesyłane za pomocą mikrofonu do komputera, a w nim odpowiednio interpretowane na odpowiadające danemu zwrotowi funkcję egzoszkieletu, po czym z komputera wysyłana jest do sterownika egzoszkieletu odpowiednia seria instrukcji do wykonania, np. odpowiadających czynności: podnieś rękę, wstań, idź itp. Słownik komend aktualizuje się automatycznie, bez przerwy analizując ruchy człowieka;

c) sterowanie czujnikami naskórnymi lub podskórnymi (implantami) - metoda

polegająca na założeniu pacjentowi serii implantów, które wzmacniając impulsy nerwowe, odczytują na ich podstawie intencje ruchowe osoby, a następnie przekazują je do komputera sterującego. W przypadku tej metody wymagana jest częściowa sprawność układu nerwowego; teoretyczne sterowanie egzoszkieletem mogłoby się odbywać bezpośrednio z użyciem fal mózgowych - po podłączeniu do głowy osoby serii elektrod, odpowiednie rodzaje impulsów, przekazywane byłyby do komputera, który na tej podstawie uruchamiałby odpowiednie funkcje egzoszkieletu. Jednak obecnie nie istnieją jeszcze prototypy działające w ten sposób.

6. Zalety, wady, korzyści

a) Zalety egzoszkieletu: • alternatywa dla wózka dla osób niepełnosprawnych, rozszerzająca jego funkcje

m.in. o wchodzenie po schodach, • możliwe częściowe dynamiczne odciążenie oraz zmniejszenie kosztu

energetycznego, np. w przypadku osłabień, • możliwość kompensacji deficytów układu nerwowego, • możliwość dopasowania systemu sterowania do rodzaju i stopnia deficytu, • możliwość sterowania za pomocą interfejsu mózg-komputer,

str. 9

• możliwość wykorzystania egzoszkieletu jako platformy dla systemów telemedycznych lub zintegrowanych w większe środowiska.

b) Wady egzoszkieletu:

• konieczność doboru indywidualnego, • złożone procedury dopasowania i uzbrajania egzoszkieletu oraz szkolenia

użytkownika i jego rodziny, • konieczność wypracowania wskazań i przeciwwskazań, • konieczność wdrożenia rozwiązań technicznych i procedur awaryjnych oraz

podwyższających bezpieczeństwo pacjenta oraz jego otoczenia, w tym terapeutów i rodziny,

• nie do końca zbadane skutki długoterminowego użytkowania.

c) Korzyści dla użytkowników: • chodzenie/ćwiczenie w pozycji pionowej, • pozytywny wpływ na gęstość kości, • zmniejszenie ilości tkani tłuszczowej oraz przyspieszenie przemiany materii, • zmniejszenie dolegliwości bólowych, • zmniejszenie ilości skurczów, • sprawniejsza praca jelit, mniejsze zagrożenie zapaleniem pęcherza, • poprawa układu krążeniowo-oddechowego.

7. Zastosowanie

A. Przemysł 1. w budownictwie, górnictwie, przemyśle,

rolnictwie i wszędzie tam, gdzie istnieje konieczność przenoszenia ciężkich przedmiotów na różne odległości. Szczególnym przypadkiem może być zastosowanie w magazynach z ograniczonym dostępem manewrowym wózków widłowych, podnośników lub podobnych w działaniu urządzeń;

2. w przemysłowych halach produkcyjnych, gdzie odbywa się montaż ciężkich przedmiotów w warunkach ograniczonych przestrzennie;

3. w sytuacjach, gdy pracownik narażony jest na długotrwałe przebywanie w niekorzystnych, niekomfortowych pozycjach w pracy;

4. w sytuacjach, gdy wymagane jest wielokrotne pokonywanie nawet krótkich odcinków pieszo lub długotrwałego przebywania w pozycji stojącej;

5. w przypadkach wykonywania ciężkich prac fizycznych znaczenie egzoszkieletów jest bardzo duże na tle dotychczas stosowanych rozwiązań.

Rys. 11

str. 10

B. Medycyna-rehabilitacja 1. Egzoszkielety nie tylko łączą funkcje wózka i robota rehabilitacyjnego, ale umożliwiają

terapię 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, podczas normalnego, codziennego funkcjonowania, z zachowaniem mobilności dwunożnej i pełnego wsparcia w każdej pozycji. Dopasowanie egzoszkieletu umożliwia zachowanie normalnej postawy ciała, a postęp technologiczny oraz miniaturyzacja poszczególnych elementów być może pozwoli ukryć to urządzenie pod ubraniem. Dzięki temu osoby niepełnosprawne nie będą się wyróżniały swoim wyglądem, co ma istotny wpływ społeczny, który sprzyja lepszej integracji jednostek z dysfunkcjami ze społeczeństwem, wyrównaniu ich szans na naukę oraz pracę. Z klinicznego punktu widzenia egzoszkielety stwarzają zupełnie nowe możliwości, wpisując się w dotychczasowy model rehabilitacji, których wykorzystanie niesie ze sobą szereg zalet: • zmniejsza pracochłonność i czasochłonność poszczególnych ćwiczeń, szczególnie

wymagających do tej pory jednoczesnego udziału więcej niż jednego terapeuty, np. w reedukacji chodu,

• zapewnia pełną powtarzalność pojedynczych ruchów lub ich sekwencji, jak również dóbr parametrów całych sesji terapeutycznych,

• ułatwia wprowadzenie korekt w planie terapii, dzięki jednoczesnemu obrazowaniu i analizie wyników pacjenta,

• zwiększa motywację pacjentów, często z wykorzystaniem prostych gier lub środowisk rzeczywistości wirtualnej,

• zmniejsza ryzyko popełnienia błędu przez personel medyczny lub pacjenta. Kliniczne wykorzystanie egzoszkieletów pozwala na dalsze rozwinięcie modelu

w kierunku rehabilitacji i opieki domowej oraz telerahabilitacji. Nie można jednak być przekonanym, że roboty są w stanie w sposób efektywny zastąpić personel medyczny w opiece, np. nad starzejącym się społeczeństwem. Ograniczenia elastyczności oprogramowania robotów oraz ich autonomii, powodowane również koniecznością zapewnienia bezpieczeństwa pacjenta, terapeuty i ich otoczenia, jak również groźba dehumanizacji medycyny czynią roboty rehabilitacyjne jedynie użyteczną, uzupełniającą formą terapii. W rehabilitacji neurologicznej nic nie jest w stanie zastąpić „oka i ręki” doświadczonego terapeuty-zbyt duża jest bowiem złożoność terapii i za wiele czynników wpływa na ostateczny jej kształt oraz dynamikę zmian.

Na obecną chwilę wskazania i przeciwwskazania do korzystania z egzoszkieletu medycznego nie zostały jednoznacznie sformułowane, gdyż rozwiązania komercyjne znajdują się ciągle w fazie badań klinicznych. Nie ulega wątpliwości, że zasadnicze przeciwwskazania powinny stanowić: brak możliwości pełnej kontroli egzoszkieletu, zakłócenia pamięci, podatność na różnego rodzaju zaburzenia napędowe, a również wrażliwość na wybrane leki. Wątpliwości budzi także bezpieczeństwo wykorzystania egzoszkieletów przez dzieci - choć dotychczasowe badania związane z rehabilitacją dzieci za pomocą robotów zdają się potwierdzić taką możliwość. Tryb wsparcia obejmuje wykorzystanie egzoszkieletu jako wielofunkcyjnego narzędzia dla personelu medycznego na oddziałach szpitalnych i w domach opieki, a w sytuacjach szczególnie ciężkich stanów, wymagających bezpiecznego obracania, przenoszenia i obsługi ciężkich pacjentów również w opiece domowej. Wykorzystanie egzoszkieletów w trybie wsparcia przyczyni się do wzrostu efektywności najbardziej męczących form terapii i opieki, bezpieczeństwa pacjentów oraz spadku liczby urazów personelu medycznego, które wynikają z przeciążeń. Ciekawym rozwiązaniem jest projekt Luna EMG. Jest on dziełem Michała Mikulskiego –

str. 11

doktoranta Politechniki Śląskiej w Gliwicach, o którym zrobiło się głośno kilka lat temu, za sprawą egzoszkieletu ramienia. Luna jest wyposażona w czujniki siły i sześciokanałowy elektromiograf, rejestrujący aktywność mięśni. Dzięki temu wspomaga leczenie pacjentów ortopedycznych, którzy ulegli wypadkowi lub wymagają rehabilitacji pooperacyjnej, jak również leczenie pacjentów neurologicznych, borykających się z zanikami, wiotkością mięśni czy niedowładami kończyn. Luna wspomaga rehabilitację stawów: barkowego, łokciowego, nadgarstkowego, biodrowego, kolanowego oraz skokowego. Wykrywa nawet najmniejszą aktywność mięśni, niedostrzegalną gołym okiem, i pomaga pacjentowi wykonywać określone ruchy. W wyniku rehabilitacji mózg zaczyna wychwytywać i „faworyzować” tego typu sygnały, ucząc się, że ich następstwem jest konkretny ruch. Pracę robota kontroluje kilkanaście mikroprocesorów. Urządzenie wyposażone jest też w zestaw wymiennych końcówek, co zwiększa możliwości rehabilitacyjne maszyny. Za przykład może tu posłużyć uchwyt w kształcie kierownicy zaprojektowany z myślą o funkcjonalnej rehabilitacji kierowców. Dodatkowo Luna została wzbogacona o gry rehabilitacyjne, które uprzyjemniają ćwiczenia i mobilizują pacjentów, zwłaszcza tych najmłodszych. Mają one formę gier komputerowych. Zamiast suchych ćwiczeń pacjent może podbijać kosmos, omijać asteroidy, zbierać spadające gwiazdy czy układać rzędy kulek w grze logicznej. Zapomina na chwilę o bólu, skupia się na tym, że gra a przy okazji jest diagnozowany i ćwiczy.

C. Wojsko Żołnierz przyszłości

Zbyt ciążki ekwipunek żołnierzy może powodować kontuzje, urazy, a także trwałe inwalidztwo. Dlatego amerykańskie siły zbrojne próbują zmniejszać obciążenie swoich oddziałów, między innymi inwestując w badania nad nowymi technologiami. Postęp w rozwoju systemów mechatronicznych umożliwił skonstruowanie egzoszkieletu wspomagającego-noszonego przez człowieka robota, który pozwala żołnierzom szybciej i dłużej maszerować i biegać, a również przenosić ciężkie przedmioty. Do najbardziej zaawansowanych współczesnych amerykańskich egzoszkieletów bojowych należą: BLEEX, HULC i XOS. Eksperci są zgodni co do tego, że współczesne obciążenie żołnierzy jest zbyt duże i stanowi czynnik ryzyka, ponieważ może powodować nadmierne kontuzje, urazy, a także spadek sprawności bojowej. Zdaniem Samuela L.A. Marshella ekwipunek żołnierza piechoty nie powinien przewyższać jednej trzeciej masy jego ciała. Jeśli żołnierz waży 85 kg, to optymalnie powinien dźwigać nie więcej niż 28 kg. Podobnie jak Marshall, wypowiedział się w 2001 roku szef sztabu armii amerykańskiej generał Eric Shinseki, gdy kreślił wizję przyszłych sił zbrojnych. Zgodnie z nią w 2010 roku obciążenie bojowe pojedynczego żołnierza armii Stanów Zjednoczonych nie miało przekraczać 23 kg. Tego ambitnego celu nie udało się jednak osiągnąć. Z raportu o obciążeniu oddziałów podczas operacji „Iracka wolność” wynika, że w zależności od stanowisk i funkcji obciążenie poszczególnych żołnierzy pułku było różne-od 23,5 kg do 36 kg. Obciążenie żołnierzy 82 Dywizji Powietrznej w Afganistanie wynosiło 39-57 kg na osobę. Podczas walki, gdy żołnierze zrzucali plecaki w dalszym ciągu mieli na sobie około 27 kg obciążenia. Przeciążenie powoduje poważne dolegliwości zdrowotne. W latach 2004-2007 bóle

Rys. 12

str. 12

mięśniowo-szkieletowe oraz urazy kręgosłupa były powodem niemal jednej trzeciej ewakuacji medycznych amerykańskich żołnierzy w Iraku i Afganistanie. Paradoksalnie z tych przyczyn ewakuowano dwa razy więcej żołnierzy niż z powodu ran bitewnych. Ponieważ zmęczenie i wyczerpanie ograniczają zdolność bojową i mogą prowadzić do ryzykownych błędów, najprostszym rozwiązaniem byłoby zmniejszenie masy ekwipunku. Dzięki nowoczesnym technologiom amerykańscy żołnierze zyskują przewagę taktyczną nad przeciwnikiem, ale kosztem dźwigania coraz liczniejszej elektroniki. Umundurowanie ochronne stanowi około 30% ekwipunku żołnierza piechoty. Nawet jeśli uda się stworzyć lżejsze i doskonalsze materiały, to bez ryzykowania żołnierzy, całkowitą masę ubioru ochronnego można zmniejszyć zaledwie 10%. Asymetryzacja wojny powoduje, że przeciwnika coraz trudniej uchwycić, to zaś oznacza konieczność zużywania i noszenia coraz większej ilości amunicji. W warunkach „urban warfare” żołnierze w coraz mniejszym stopniu mogą liczyć na to, że ich ekwipunek zostanie przetransportowany przez pojazdy opancerzone, a coraz bardziej muszą polegać na swoich mięśniach. Skoro nowe możliwości technologiczne dociążają żołnierza i nie są w stanie zmniejszyć masy ciała umundurowania, uzbrojenia oraz dodatkowego wyposażenia, to najprawdopodobniej jedynym, skutecznym rozwiązaniem będzie stworzenie zewnętrznego szkieletu robota, w którym poruszałby się żołnierz i który przejąłby większość obciążeń. Wymagania:

Departament US Army określił wymagania dotyczące egzoszkieletów bojowych (The Mission Needs Statement for The Enhanced Integrated Soldier System-Dismounted TEISS-D) w pięciu kluczowych obszarach:

• w zakresie żywotności: zapewnienie zwiększonych możliwości obserwacji dziennej i nocnej umożliwiające efektywne wykrycie, zlokalizowanie, rozpoznanie, sklasyfikowanie, zidentyfikowanie i zniszczenie obiektów przeciwnika;

• w zakresie mobilności: zredukowanie masy wyposażenia przy zapewnieniu zwiększonych możliwości bojowych, kompatybilność w działaniach wykonywanych przez różne rodzaje wojsk;

• w zakresie zdolności przetrwania: zapewnienie osłony przed ogniem bezpośrednim broni małokalibrowej, minami przeciwpiechotnymi oraz bronią zapalającą, a ponadto zapewnienie ochrony przed skutkami użycia broni nuklearnej, biologicznej, chemicznej, mikrofalowej wysokiej mocy, energii skierowanej, rozpryskowej oraz „pociskom strzałkowym”. Dodatkowo zapewnienie ochrony słuchu, zapobieganie, zakłócanie lub mylenie systemu wykrywania przeciwnika; dostarczenie urządzeń ostrzegania przed różnego rodzaju zagrożeniami występującymi na polu walki, zapewnienie wysokiej trwałości produkowanego wyposażenia ochronnego, jak również trwałych urządzeń peryferyjnych wspomagających zmysł widzenia, słuchu i dotyku;

• w zakresie dowodzenia i kontroli: zapewnienie łączności głosowej, w tym utajnionej, wymiany danych, obrazów, map cyfrowych, zobrazowania grafiki, przekazywania i otrzymywania lokalizacji danego obiektu, zapewnienie świadomości sytuacyjnej oraz danych dotyczących aktualnej sytuacji w prowadzonych działaniach bojowych.

Powyższe wymogi są nadal adekwatne do modelowania i budowy egzoszkieletów bojowych. Stanowią fundamentalne zasady podczas projektowania oraz wskazują na kierunki rozwoju tego typu urządzeń

str. 13

W konstrukcji egzoszkieletu bojowego stosuje się synergię mechaniki, elektroniki, automatyki, informatyki oraz szeroko pojętej optymalizacji w procesie projektowania i wytwarzania. Wykorzystanie dużej ilości czujników ruchu, tensometrów a także innych bardzo zaawansowanych urządzeń które dokonują obliczeń napięcia mięśnia, wychylenia stawu, czy samego ruchu żołnierza oraz przekonwertowanie danych na zoptymalizowany ruch, i to w wielu płaszczyznach, nie jest zadaniem łatwym. Sterowanie egzoszkieletem może zostać w przyszłości rozwiązane z wykorzystaniem sieci neuronowych.

8. Przyszłość

Egzoszkielet sterowany myślami

Mindwalker – egzoszkielet sterowany myślami. Co roku na świecie przybywa osób dotkniętych częściowym lub całkowitym paraliżem spowodowanym uszkodzeniem rdzenia kręgowego. Już wkrótce klasyczne wózki inwalidzkie mogą wyjść z użycia dzięki Mindwalkerowi. Egzoszkielet ten to owoc współpracy naukowców z Laboratory of Neurophysiology and Movement Biomechanics na Université Libre de Bruxelles oraz z Foundation Santa Lucia we Włoszech. Badacze testowali różne sposoby kontrolowania urządzenia i ich zdaniem najlepiej sprawdza się umysłowo-nerwowy komputerowy interfejs (ang. brain-neural-computer interface, BNCI). Dzięki BNCI osoba może sterować egzoszkieletem za pomocą myśli. Sygnały są przesyłane między mózgiem a komputerem z pominięciem rdzenia kręgowego. Mindwalker przetwarza sygnały EMG z mózgu w elektroniczne komendy ruchowe. Egzoszkielet jest dość lekki, ponieważ bez baterii waży zaledwie 30 kg. Utrzyma na nogach osobę dorosłą ważącą nawet 100 kg.

Grafen bezpiecznie oddziałuje z neuronami

Naukowcy z Wielkiej Brytanii i Włoch zademonstrowali, w jaki sposób, nie naruszając integralności komórki, stworzyć bezpośredni interfejs grafen-neuron. Zdaniem zespołu uzyskane wyniki można wykorzystać w budowie elektrod grafenowych do bezpiecznej implantacji w mózgu. Mówi także o odbudowie funkcji u osób z paraliżem czy po amputacji, a również pacjentów z zaburzeniami motorycznymi, np. chorobą Parkinsona. Wcześniej inne ekipy wykazały, że do oddziaływań z neuronami można wykorzystać modyfikowany grafen. W przypadku takich interfejsów stosunek sygnału do szumu był jednak bardzo niski. Badacze,

Rys. 13

str. 14

którzy opracowywali metody na niemodyfikowanym grafenie zachowali przewodność elektryczną i uzyskali lepszą elektrodę. Po raz pierwszy stworzyliśmy bezpośredni interfejs grafenu i neuronów. Później testowaliśmy zdolność komórek nerwowych do generowania sygnałów elektrycznych[...] i stwierdziliśmy, że nie ulegnie ona zmianie. To pierwsze badanie funkcjonalne aktywności synaptycznej za pomocą niepowlekanych materiałów grafenowych - podkreśla prof. Laura Ballerini z Uniwersytetu w Trieście. Wszczepione elektrody muszą być bardzo wrażliwe na impulsy elektryczne. Powinny być również stabilne i nie zmieniać poddawanej pomiarom tkani. Niestety, elektrody z interfejsu, które bazują na wolframie czy krzemie często tracą z czasem sygnał. Dzieje się tak przez utworzenie wokół nich tkani bliznowatej. Wykazano, że giętki, biokompatybilny, stabilny i cechujący się świetnym przewodnictwem grafen może być doskonałym rozwiązaniem tych problemów. Na podstawie eksperymentów przeprowadzonych w hodowlach szczurzych neuronów, naukowcy wykazali, że grafenowe elektrody dobrze oddziałują z komórkami. Badanie pod mikroskopem elektronowym i za pomocą immunofluorescencji pokazało, że neurony przekazują normalne impulsy elektryczne i pozostają zdrowe. Nie zaobserwowano niekorzystnych reakcji, które mogłyby prowadzić do bliznowacenia. W przyszłości naukowcy zamierzą sprawdzić, jak różne formy grafenu wpływają na neurony. Chcą również ustalić, czy dostrajanie właściwości grafenu przyczyni się do zmiany synapsy i pobudliwości neuronów w nieznany dotąd sposób. Wstępne wyniki pokazują, że jeśli chodzi o potencjał grafenu i materiałów pokrewnych w biozastosowaniach i medycynie, odkryliśmy zaledwie czubek góry lodowej - podsumowuje prof. Andrea Ferrari, dyrektor Centrum Grafenu w Cambridge.

str. 15

10. Bibliografia

1. N. Yagn, “Apparatus for facilitating walking, running, and jumping,”U.S. Patents 420 179 and 438 830, 1890

2. https://pl.wikipedia.org/wiki/Egzoszkielet_wspomagany 3. „Egzoszkielet-możliowość wykorzystania we współczesnej inżynierii” - Sabina

Kowalska, Sławomir Herma 4. https://en.wikipedia.org/wiki/Exoskeleton 5. https://en.wikipedia.org/wiki/BigDog 6. „Możliwość wykorzystania egzoszkieletu medycznego jako nowoczesnej formy terapii” –

Emilia i Dariusz Mikołajewscy 7. http://piorkowski.ca/fydp/index.html 8. http://smashingrobotics.com/complete-robotic-exoskeleton-suits-list-for-limb-movements/ 9. Design and Feasibility Verification of a Knee Assistive Exoskeleton System for

Constructio Workers SeungNam Yu, SeungHoon Lee, HeeDon Lee and ChangSoo Han Hanyang University South Korea

10. http://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-540-30301-5_34#page-1 11. Ministerstwo Obrony Narodowej “Kwartalnik Bellona” nr 3/2013 12. https://en.wikipedia.org/wiki/Powered_exoskeleton 13. „Egzoszkielet postawi Cię na nogi” Michał Mikulski 14. http://nt.interia.pl/technauka/news-mindwalker-egzoszkielet-sterowany-

myslami,nId,942802 15. https://www.technologyreview.com/s/539251/the-exoskeletons-are-coming/ 16. www.iosrjournals.org 17. „Intention-Based Walking Support for Paraplegia Patients with Robot Suit HAL” –

Kenta Suzuki, Gouji Mito, Hiroaki Kawamoto, Yasuhisa Hasegawa, Yoshiyuki Sankai 18. „A human Factors Evaluation of Exoskeleton Boot Interface Sole Thickness” by Angela

C. Boynton, Harrison P. Crowell III 19. http://www.engadget.com/2010/09/28/raytheons-sarcos-xos-2-military-exoskeleton-just-

does-the-heavy/ 20. http://bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton/bleex/ 21. http://kopalniawiedzy.pl/neurony-interfejs-grafen-elektroda-sygnal-synapsa-pobudliwosc-

Laura-Ballerini-Andrea-Ferrari,23969 22. http://www.iosrjournals.org/iosr-jmce/papers/ICAET-2014/me/volume-5/12.pdf?id=7622 23. Decmer D., Amerykańska koncepcja wyposażenia żołnierza przyszłości – Land

Warrior i Future Warrior, Zeszyty Naukowe WSOWL,nr 1(151), s. 26-42, 2009. 24. http://mon.gov.pl/z/pliki/dokumenty/rozne/2014/09/psz_3_2014.pdf