30 minut jazdy samochodem na południowy zachód od Zurychu: na skraju lasu w spokojnym miasteczku Affoltern znajduje się Rehabilitacja dzieci w Szwajcarii. Nowoczesny betonowy budynek. Na zewnątrz dzieci i ich rodzice spędzają popołudnie na placu zabaw. Wewnątrz profesor Hubertus van Hedel i jego zespół pracują nad ważnym osiągnięciem technicznym: egzoszkieletem dłoni.

Są to "systemy, które podążają za kształtem ludzkiego ciała", wyjaśnia van Hedel, "i są połączone z ręką z zewnątrz, tak jak w naszym przypadku". Ten "zewnętrzny szkielet" zapewnia, że pewne ruchy mogą być wykonywane ludzką ręką.

Wszystko tylko nie futurystyka

Zespół badawczy Van Hedela opracował pierwszy w pełni zmotoryzowany i przenośny egzoszkielet dłoni: Odkręcanie butelek, krojenie chleba, podnoszenie guzików z podłogi i trzymanie kart do gry przy użyciu robotyki. Urządzenie zostało zaprojektowane specjalnie dla dzieci i młodzieży z wrodzonymi lub nabytymi uszkodzeniami mózgu, co oznacza, że mogą one poruszać rękami tylko w ograniczonym zakresie.

Pexo - jak nazywa się urządzenie - nie wygląda futurystycznie: górna część każdego palca składa się z trzech cienkich sprężyn liściowych, które działają jak ścięgna i są połączone z silnikiem za pomocą kabli. Urządzenie jest aktywowane za pomocą sterowania głosowego lub niebieskiego przycisku. Ruchome sprężyny płytkowe wywierają niewielki nacisk na ludzkie palce, a biologiczna dłoń pacjenta zamyka się lub otwiera. Elektronika, silniki i bateria są umieszczone w tylnym module ważącym około dwóch kilogramów.

Pexo, krokodyl

Jasnozielony moduł dłoni przypomina krokodyla. Projekt ma na celu zaspokojenie potrzeb dzieci, jak wyjaśnia Jan Dittli, inżynier z ETH Zurich: "Opracowaliśmy różne rozmiary, aby zaoferować dzieciom w wieku od pięciu do 18 lat odpowiedni rozmiar".

Egzoszkielet nadal ma jednak ograniczenia mechaniczne: Palce nie mogą być kontrolowane indywidualnie. Tylko kciuk i pozostałe cztery palce mogą być aktywowane oddzielnie, aby otworzyć lub zamknąć dłoń. Granie na pianinie: Niemożliwe. Jest to jednak jedyny sposób na osiągnięcie niskiej wagi egzoszkieletu pod względem inżynieryjnym. Moduł dłoni waży około 120 gramów, czyli mniej niż smartfon.

Początki badań

Zespół Van Hedela celowo unikał technologii czujników, a nawet kontroli poprzez połączenia z nerwami lub mózgiem. Chociaż jest to ekscytujące z medycznego punktu widzenia, badania są wciąż w powijakach. Do tej pory terapeutyczne urządzenia robotyczne były bardzo nieporęczne, ciężkie i duże. Dzięki Pexo dzieci i młodzież mogą z łatwością ćwiczyć ruchy z przedmiotami codziennego użytku i podnosić rzeczy ważące do pół kilograma. Duża tabliczka czekolady nie stanowi problemu, ale pełny karton mleka już tak.

Zrobotyzowane egzoszkielety zostały po raz pierwszy opracowane w wojsku na początku tysiąclecia, a później do celów terapeutycznych. Istnieją już roboty chodu dla pacjentów po udarze lub paraplegików - na przykład do stania, chodzenia lub chwytania.

Kombinezon zasilający dla przemysłu

Firmy rzemieślnicze, przemysł motoryzacyjny, dostawcy usług logistycznych i operatorzy placówek opiekuńczych są obecnie również zainteresowani egzoszkieletami. Przykładem mogą być roboty ubieralne, które przejmują podnoszenie ciężarów, chroniąc przy tym kręgosłup pracowników. Siły działające na kręgosłup, ramiona i szyję są absorbowane i przekierowywane przez egzoszkielet. Obszary zastosowań? Wszędzie tam, gdzie wykonywane są wymagające fizycznie zadania. Na przykład, gdy codziennie trzeba podnieść kilka ton części zamiennych, karoserii samochodowych, walizek lub worków cementu, lub gdy obłożnie chorzy pacjenci muszą być podnoszeni w placówkach opieki. Potencjał ten został również dostrzeżony przez niemieckiego producenta protez Ottobock. Segment egzoszkieletów jest postrzegany jako większy rynek niż protetyka w dłuższej perspektywie, powiedział niedawno Oliver Jakobi, dyrektor generalny Ottobock. Frankfurter Allgemeine Zeitung. Oczekuje, że sprzedaż w tym segmencie podwoi się tylko w tym roku. 

Egzoszkielety można podzielić na dwa rodzaje: Modele pasywne nie posiadają ani silników, ani baterii. Przenoszą obciążenia na inne części ciała użytkownika za pomocą sprężyn i kół pasowych.

W przeciwieństwie do aktywnych egzoszkieletów, takich jak te od firmy z Augsburga German Bionic. Firma produkuje różne kombinezony elektryczne. Mają one silniki zwiększające siłę i są używane do podnoszenia. Na przykład Cray Xtzw. Power Suit Egzoszkielet zaprojektowany w celu poprawy wydajności fizycznej pracowników i opracowany specjalnie do użytku w przemyśle produkcyjnym do podnoszenia i opuszczania ładunków na paletach lub półkach.

Egzoszkielet pomaga zmniejszyć obciążenie górnej części ciała, a tym samym zapobiega zmęczeniu mięśni i urazom. Działa podobnie do egzoszkieletu dłoni Kinder-Reha Schweiz i jest mocowany za pomocą pasków na nogach i kamizelki na górnej części ciała.

Ogromny rynek

Cray X ma modułową konstrukcję, co oznacza, że egzoszkielet można dostosować do obszaru zastosowania i potrzeb użytkownika. Można go również wyposażyć w różne czujniki i systemy monitorowania w celu monitorowania użytkownika i jego pracy oraz gromadzenia danych na temat wydajności i obciążenia.

German Bionic nie jest jedyną firmą eksperymentującą z egzoszkieletami i oferującą takie urządzenia. Liczne start-upy są również aktywne na tym polu. Według indyjskiej firmy analitycznej MarketsandMarkets globalny rynek egzoszkieletów będzie stale rósł i osiągnie wartość 6,8 mld USD do 2025 roku. Inne instytuty badań rynkowych szacują, że sprzedaż egzoszkieletów przemysłowych osiągnie 20 mld USD do 2030 r., w porównaniu z 96 mln USD w 2016 r.

Profilaktyka zdrowotna i ocena ryzyka

Badanie laboratoryjne przeprowadzone przez Fraunhofer Institute for Material Flow and Logistics wykazało, że wykorzystanie egzoszkieletów w produkcji ma pozytywny wpływ na produktywność. Wydajność pracy wzrosła nawet o 25 procent. Zastosowanie egzoszkieletów umożliwiło pracownikom szybszą i dłuższą pracę bez oznak zmęczenia. Badanie zostało przeprowadzone we współpracy z różnymi firmami, które już wykorzystują egzoszkielety w swojej produkcji.

Naukowcy odkryli również, że pracownicy mieli mniej zaburzeń układu mięśniowo-szkieletowego i napięcia dzięki zastosowaniu egzoszkieletów. Zastosowanie egzoszkieletów pomogło zmniejszyć ryzyko powtarzających się urazów wysiłkowych podczas pracy wymagającej dużego wysiłku fizycznego.

Wykorzystanie egzoszkieletów w przemyśle było jednak również krytykowane. Krytykowano na przykład fakt, że egzoszkielety są nadal dość ciężkie i nieporęczne, przez co mogą ograniczać mobilność pracowników. Niektóre egzoszkielety są również nadal dość drogie, co utrudnia ich stosowanie w mniejszych firmach. Brakuje też długoterminowych badań, które pozwoliłyby ocenić ich konsekwencje w rzeczywistych zastosowaniach przemysłowych. Obejmują one możliwe skutki uboczne, takie jak utrata mięśni w przypadku aktywnych egzoszkieletów lub zwiększone obciążenie układu sercowo-naczyniowego w przypadku systemów do pracy nad głową.

Powrót do ośrodka odwykowego dla dzieci w Szwajcarii. Wanda [prawdziwe imię znane redakcji] wchodzi do sali terapeutycznej; jest jednym z około 240 dzieci i młodych ludzi rocznie, którzy spędzają kilka tygodni, a nawet miesięcy na odwyku, tak jak 14-latka. Powód: zmagają się z konsekwencjami urazów rdzenia kręgowego lub mózgu, na przykład po udarach.

Terapia wymagająca dużego nakładu pracy

Pani Wanda również przeszła udar rok temu i nie była już w stanie prawidłowo poruszać ręką, nogą i dłonią po lewej stronie; ponadto miała powtarzające się zaburzenia mowy. Intensywna rehabilitacja zmieniła ten stan rzeczy. Wanda znów mówi płynnie, ale jej ręka nadal nie chce poruszać się tak dobrze jak kiedyś.

Teraz musi użyć egzoszkieletu dłoni, aby chwycić małe klocki z drewnianego pudełka i umieścić je przez ściankę działową w drugim pudełku. To, co jest łatwe dla innych dzieci, jest trudne dla Wandy.

Za pomocą sterowania głosowego wydaje polecenie zamknięcia dłoni i nagle silniki egzoszkieletu zaczynają cicho warczeć. Jej sparaliżowane palce zwijają się, chwyta mały drewniany klocek i umieszcza go w pudełku naprzeciwko.

Star Wars fantasy

Czy egzoszkielety dłoni pewnego dnia zbliżą się do funkcji prawdziwych dłoni? Odpowiedź Van Hedela: Nie, ludzka dłoń jest zbyt delikatna i zbyt skomplikowana, by można ją było sztucznie zastąpić, tak jak zrobotyzowaną dłoń Luke'a Skywalkera. To pozostaje fantazją rodem z Gwiezdnych Wojen w hollywoodzkiej fabryce snów.

Niemniej jednak, egzoszkielet mógłby być pomocny dla niektórych dzieci z uszkodzeniem mózgu, podsumowuje szef badań. "Z komercyjnego punktu widzenia nie jest to duża grupa docelowa" i dodaje: "Człowieczeństwo społeczeństwa przejawia się właśnie w tym, jak traktuje ono swoich najsłabszych członków. Dzieci są naszą przyszłością!"

Źródło: Egzoszkielety: Jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki | Gospodarka | DW | 07.04.2023