Czego możemy oczekiwać od Inżynierii Biomedycznej: Egzoszkielet

W mojej Uczelni, Akademii Górniczo-Hutniczej, prowadzę badania naukowe oraz nauczam studentów głównie w zakresie Inżynierii Biomedycznej. Dlatego w tych felietonach chętnie przedstawiam zagadnienia dotyczące tej dziedziny. Dzisiaj „biorę na warsztat” tak zwany egzoszkielet, urządzenie, które – jak wierzymy – w przyszłości przywróci możliwość ruchu osobom sparaliżowanym.

Czy zastanawialiście się kiedyś Państwo, jak działa Wasze ciało rozpatrywane jako poruszająca się maszyna?

Każdy wie, że zasadniczą rolę odgrywają mięśnie. To ich skurcze powodują ruch wszystkich części ciała. Sparaliżowany dlatego nie może się poruszać, że jego mięśnie nie dostają sygnałów z mózgu wywołujących skurcz, są bezwładne, nieużyteczne. Żeby zapewnić człowiekowi sparaliżowanemu możność działania - trzeba zamiast jego nieczynnych mięśni wykorzystać siłowniki elektryczne. Energii do ich napędu dostarczą akumulatory umieszczone w plecaku noszonym przez pacjenta.

Źródło siły powodującej ruch już mamy – ale jak tę siłę przyłożyć do ciała sparaliżowanego człowieka?

Sprawa nie jest prosta!

Mięśnie ze szkieletem łączą mocne ścięgna, które pozwalają przekazywać do kości, stawów i więzadeł, siły powodujące wymagany ruch. Ale siłowniki elektryczne nie mogą być w prosty sposób dołączone bezpośrednio do potrzebujących napędu elementów szkieletu człowieka. Wymagałoby to mnóstwa skomplikowanych zabiegów ortopedycznych i nie dałoby się stosować przez dłuższy czas ze względu na ból i powstające stany zapalne.

Próba napędzania kończyn od zewnątrz, poprzez otulające kości warstwy mięśni, naczyń krwionośnych i tłuszczu porytego skórą - też jest skazana na niepowodzenie.

Jak więc dołączyć sztuczny napęd do naturalnych kończyn?

Trzeba wziąć przykład ze stawonogów: krabów, raków, a także ... owadów. Wszystkie te stworzenia mają szkielety zewnętrzne – ich mięśnie napędzają części ciała będąc od środka przymocowane do fragmentów skorupy lub chitynowej powłoki. Zasada: twarde (kości) w środku, miękkie (mięśnie) na zewnątrz, obowiązująca w naszym ciele i w organizmach ssaków, gadów, płazów i ryb – jest tu odwrócona. U kraba czy owada twarde jest na zewnątrz, a miękkie w środku.

I to właśnie jest wzór dla inżynierów:

Trzeba zbudować twardy i mocny szkielet na zewnątrz ciała pacjenta. To on będzie napędzany siłownikami elektrycznymi, a jego ruchy przenoszone będą na kończyny pacjenta za pomocą specjalnych zaczepów. I to właśnie jest egzoszkielet, bo przedrostek „egzo-” zawsze oznacza coś zewnętrznego.

Taki egzoszkielet może być dowolnie mocny, więc obok poruszania bezwładnych kończyn sparaliżowanego pacjenta może on także wspomagać ludzi w pełni sprawnych (na przykład żołnierzy albo ratowników), którzy muszą wykonywać czynności wymagające nadludzkiej siły. Tę siłę może im dostarczyć właśnie egzoszkielet!

Ale jak sprawić, żeby egzoszkielet poruszał się zgodnie z wolą człowieka?

O tym opowiem Państwu za tydzień!