Sukūrė prietaisą, padidinantį fizines žmogaus galimybes: kuo jis išskirtinis?

Natūralius egzoskeletus gamtoje sutinkame gana dažnai. Juos turi kietasparniai vabzdžiai, skruzdėlės, vėžliai, sraigės. Jie padeda apsaugoti kūną nuo agresyvaus aplinkos poveikio, prisideda prie judėjimo aparato funkcionalumo užtikrinimo. Žmonės, norėdami atstatyti prarastas judėjimo funkcijas, praplėsti savo galimybes, pradėjo ieškoti būdų, kaip sukurti dirbtinius egzoskeletus savo kūnui ar atskiroms jo dalims. Tokius, kurie galėtų atlikti įvairias užduotis. Vienas iš pagrindinių šio prietaiso tikslų – padidinti fizines žmogaus galimybes. Tiesa, jie gali padėti ir sergantiems. Pavyzdžiui, patyrusiems insultą atstatyti prarastas judėjimo galimybes.

Vilniaus Gedimino technikos universiteto (VILNIUS TECH) mokslininkai,Biomechanikos inžinerijos katedros Medicinos ir reabilitacinės technikos laboratorijos vedėjas Gintaras Jonaitis bei Biomechanikos inžinerijos katedros lektorius Donatas Lukšys šiuo metu taip pat kuria dirbtinius egzoskeletus, padėsiančius žmonėms. Kuo jie išskirtiniai?

Egzoskeletų pritaikomumas

Sveikatos priežiūros specialistams, besirūpinantiems pacientais, itin reikalingas fizinių galimybių padidinimas tiems pacientams, kuriuos reikia kelti iš lovos ar vartyti, kad nesusidarytų pragulos. Egzoskeletas suteikia galimybę vienam darbuotojui atlikti sunkius ir sudėtingus fizinius darbus.

Egzoskeletai taip pat gali būti pritaikomi ir reabilitacijoje. Kaip žinoma, kuo anksčiau pradedama reabilitacija sunkias traumas patyrusiam pacientui, tuo greičiau jis gali grįžti normalų gyvenimą.

Sutrikus motorinėms funkcijoms, pavyzdžiui, atsiradus nevalingam galūnių drebėjimui, sergant Parkinsono liga ar esencialiniu tremoru, nykstant raumenims dėl amiotrofinės sklerozės – šiuos prietaisus taip pat galima sėkmingai panaudoti.

„Jie, atpažinę parazitinius virpesius, gali šiuos eliminuoti atitinkama servopavarų valdymo programa. Apie 400 m. naudojamas neįgaliojo vežimėlis – dar viena sritis, kurioje sėkmingai galima panaudoti egzoskeletų galimybes“, – teigia G. Jonaitis.

Perspektyvios sritys – buitis, pramonė, kur naudojantis šiais įrenginiais galima perimti dalį ar net visą žmogui tenkantį darbo krūvį.

Egzoskeletus galima panaudoti netgi pramogoms, pavyzdžiui, išplečiant virtualiosios realybės galimybes.

Unikali pagalba ir reabilitacijos srityje

Atlikti moksliniai tyrimai parodė, kad reabilitacijoje kaip treniruokliai taikomi egzoskeletai suteikia geresnį reabilitacijos efektyvumą, palyginus su tradicine reabilitacija. Vienas iš pagrindinių egzoskeletų privalumų yra tas, kad jie – lengvai perprogramuojami.

„Pavyzdžiui, jei pacientui paskirta konkreti reabilitacijos programa, ją galima nustatyti vienu mygtuko paspaudimu. Dar vienas svarbus aspektas atliekant reabilitaciją – egzoskeletus galima naudoti ir namuose, nereikia numatytu laiku vykti į gydymo įstaigą“, – pasakoja D. Lukšys.

Norint užtikrinti reabilitacijos efektyvumą, prie egzoskeleto ar paties paciento pritvirtintais jutikliais registruojami ir stebimi kritiniai parametrai, kurie patvirtina ar reabilitacija atliekama efektyviai. Būtina atkreipti dėmesį, kad mūsų kūnai vadovaujasi labai paprastu principu: jei kažkurios kūno dalys ar organai nenaudojami, jie pradeda atrofuotis. Dėl to sudarant reabilitacijos programas, svarbu atkreipti dėmesį, kad reabilitacijos pradžioje egzoskeletas perimtų didžiąją dalį ar net visą žmogaus kūno svorį. Vėliau, pavyzdžiui, gyjant klubo sąnariui, apkrovos palaipsniui būtų sugrąžinamos natūraliam kūno judėjimo aparatui. Taip būtų išvengiama raumenų, sausgyslių ir kaulų nykimo.

Idėja gimė dirbant su studentais

Egzoskeletų, kaip ir bioninių galūnių projektavimas, iš pradžių domino kaip puiki edukacinė priemonė studentams, vaizdžiai pademonstruojant kaip, pavyzdžiui, servovarikliuku traukiama virvutė, kuri judina mechaninius šarnyrus, gali atkartoti žmogaus rankos judesį.

„Dabar visa tai pamažu perauga į realių problemų sprendimą pagal fizinių asmenų užklausas, kuriant individualizuotas dirbtines sistemas, galinčias atstatyti natūralias judėjimo funkcijas, padedančias susitvarkyti su pačiais įvairiausiais motoriniais sutrikimais“, – teigia VILNIUS TECH ekspertas G. Jonaitis.

Kuriant egzoskeletus įdomiausia būna tuomet, kai suprojektuota biomechatroninė sistema pradeda dirbti ir judėti taip, kad tampa lyg natūrali kūno dalis, jos pratęsimas.

Galimybė prisidėti prie technologijų kūrimo žmonėms skatina nesustoti ir kurti tokias pagalbines sistemas bei dalinantis patirtimi, skaityti paskaitas, suteikti patirtį būsimiems inžinieriams, kurie ateityje galės realizuoti savo idėjas, padėti savo aplinkai.

Prietaiso veikimo principas – koks jis?

Standaus egzoskeleto konstrukcija projektuojama taip, kad galėtų perimti žmogaus kūno motorines funkcijas: segmentai su servopavaromis tvirtinami prie žmogaus rankų, kojų, liemens. Jei kuriamas lankstus, „minkštas“ egzoskeletas, naudojamas dirbtinių raumenų kostiumas, kuris atkartoja žmogaus galūnių raumenų išdėstymą. Egzoskeletai dėl valdymo ir naudojimo ypatumų priskiriami prie „žmogaus-roboto“ sąsajos (angl. Human-robot interface – HRI) įrenginių.

„Pagal poreikį gali būtų naudojama apatinių arba viršutinių galūnių, viso kūno mechatroninė sistema. Sistemos servopavarų ar dirbtinių raumenų valdymas atliekamas mikrovaldikliais pagal gaunamus signalus iš inercinių, taktilinių ar biosignalų jutiklių. Tiesa, atskirais atvejais gali būti naudojamas suprogramuotos judesių sekos. Jei egzoskeletas naudojamas reabilitacijai, kaip treniruoklis, jis gali būti tvirtinamas prie specialios konstrukcijos stovo arba netgi kėdės“, – pasakoja Biomechanikos inžinerijos katedros lektorius D. Lukšys.

Kaina priklauso nuo atliekamų funkcijų

Egzoskeleto sukūrimo kaina priklauso nuo to, kokias funkcijas jis turės vykdyti, koks turės būti tikslumas, patikimumas, pavarų jėgos momentai. Fizinių komponentų kaina svyruoja nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių eurų.

Programinei įrangai, tyrimams, pritaikant sistemą konkrečiai veiklai, dažniausiai skiriama didžiausia investicijų dalis, kuri atskirais atvejais gali siekti ir kelis šimtus tūkstančių ar net milijonus eurų.

„Tobulai suderinta biomechatroninė sistema nevaržo žmogaus judesių, padeda jam realiu laiku atlikti įvairias užduotis. Kuriant egzoskeleto apatinę ir viršutinę dalis VILNIUS TECH laboratorijoje, buvo pasinaudota MITA priemonėmis „Inostartas“. Tai leido įsigyti aukščiausio technologinio lygmens servopavarų, mikrovaldiklių, tyrimams reikalingų inercinių, taktilinių jutiklių“, – teigia G. Jonaitis.