Sterowanie egzoszkieletem

Sterowanie egzoszkieletem
Ryszard Tadeusiewicz Naukowiec AGH, absolwent myślenickiego LO

W zeszłym tygodniu opisałem egzoszkielet - urządzenie będące wytworem współczesnej inżynierii biomedycznej, pozwalające (między innymi) na samodzielne poruszanie się osób sparaliżowanych. Trzeba przyznać, że egzoszkielet to wspaniała maszyna, ale spełni on swoje zadanie tylko wtedy, gdy będzie odpowiednio sterowany.

Na pozór wiadomo, jak to robić. Od lat budujemy zmechanizowane protezy utraconych kończyn, sterowane mikro-wyłącznikami zakładanymi w różnych miejscach ciała użytkownika. Po odpowiednim treningu potrafi on sterować taką protezą całkiem sprawnie i zręcznie. Bywają też protezy odbierające sygnały z nerwów, jakie zachowały się w kikucie ręki lub nogi, do której przytwierdzono protezę i na podstawie tych sygnałów silniki zamontowane w protezie powodują, że wykonuje ona potrzebne czynności – prawie tak dobrze, jak biologiczna kończyna.

Jednak sterowanie ruchami całej dolnej części ciała sparaliżowanej osoby przy pomocy takich wyłączników nie wchodzi w rachubę. Zadania sterowania są tu zbyt skomplikowane! Na sygnały nerwowe też nie ma co liczyć, bo paraliż na tym właśnie polega, że ich po prostu nie ma – najczęściej dlatego, że przerwany rdzeń kręgowy nie przepuszcza sygnałów z mózgu do nóg.

Co można zrobić?

Trzeba zastosować odbiór sygnałów sterujących bezpośrednio z mózgu!

Mózg człowieka wytwarza mnóstwo elektrycznych impulsów. Jest w nich zakodowane wszystko: to, co widzimy, o czym myślimy – a także to, co chcemy zrobić.

Każdy świadomy ruch wywołany jest impulsami elektrycznymi biegnącymi z mózgu. U człowieka sparaliżowanego problem polega na tym, że te impulsy nie docierają do mięśni, bo choroba zniszczyła połączenia nerwowe. Ale w mózgu te impulsy istnieją i mogą być tam zarejestrowane przez aparaturę elektroniczną. Impulsy te trzeba właściwie odróżnić od milionów innych impulsów, które w tym samym czasie także wytwarza mózg na skutek myślenia, patrzenia, słuchania itd. To jest trudne, ale możliwe.

A potem sprawa jest już prosta

Sparaliżowana osoba chce wstać i iść. W mózgu pojawiają się impulsy odpowiedzialne za potrzebne ruchy nóg. Gdyby te impulsy dotarły do mięśni, to spowodowałyby podniesienie nogi, jej zgięcie, wysunięcie do przodu, postawienie nieco dalej na ziemi.

Człowiek wykonałby krok...

ale nogi są sparaliżowane, sygnały do nich nie docierają, bezradny człowiek nie panuje nad nimi.

Jednak impulsy w mózgu wykrywa aparatura i steruje siłownikami egzoszkieletu, który porusza kończynami człowieka, podnosi jego nogę, wymuszać jej zgięcie i przesunięcie do przodu, a potem postawienie na ziemi. Sparaliżowany człowiek wykonał krok!

Oczywiście jest sporo szczegółów, które trzeba dopracować, żeby ta technika naprawdę mogła służyć sparaliżowanym ludziom. Pierwsza sprawa, to zapewnienie równowagi. Chodzenie na dwóch nogach wymaga stałego balansowania ciałem, żeby się nie przewrócić. U osób zdrowych i sprawnych nie sprawia to żadnej trudności, bo odpowiednie sygnały do mięśni wysyła móżdżek, ulokowany z tyłu głowy i połączony z błędnikiem. U sparaliżowanego pacjenta tę rolę musi przejąć sterownik egzoszkieletu. Ale stosowne prace są już zaawansowane. Dla sparaliżowanych zaświecił promyk nadziei!