Egzoszkielet to nazwa, która stosowana jest w biologii na określenie budowy anatomicznej typowej np. dla stawonogów – ich mięśnie znajdują się wewnątrz rurkowatych, chitynowych odnóży, spełniających funkcje kończyn. Obecnie najczęściej o egzoszkielecie mówi się w kontekście skomplikowanych urządzeń technicznych.
Sztuczny egzoszkielet – historia
Sztuczny egzoszkielet to urządzenie, o którym w kontekście wspierania pracy człowieka myślano już dawno. Pierwszy patent na koncepcję „urządzenia ułatwiającego chodzenie, bieganie i skakanie” został zarejestrowany jeszcze pod koniec XIX w. W latach 60. ubiegłego wieku powstał prototyp pierwszego funkcjonującego urządzenia, które stabilizowało sylwetkę człowieka, wspierało działania jego ramienia i umożliwiało podniesienie przedmiotu o masie około 350 kg. Ten egzoszkielet był jednak ciężki i niepraktyczny, a ze względu na wyzwania techniczne – trudny do zrealizowania za pomocą dostępnych w tamtych czasach technologii. Znaczący postęp odnotowano w momencie, gdy na szerszą skalę weszły do użycia urządzenia mikroprocesorowe oraz upowszechniło się stosowanie lekkich i wytrzymałych materiałów, takich jak tytan i niektóre tworzywa sztuczne.
Egzoszkielet – rodzaje
Współcześnie dostępne egzoszkielety dzieli się ze względu na kilka kryteriów. Podstawowym z nich jest zastosowanie. Dużą grupę stanowią urządzenia medyczne, mające wspierać chorych z problemami neurologicznymi i chorobami mięśni. Produkowane są egzoszkielety, których zastosowaniem jest użycie w warunkach przemysłowych, do przenoszenia ciężkich przedmiotów w zamkniętych, ograniczonych przestrzeniach, np. kopalniach. Część takich właśnie, albo bardzo podobnych, urządzeń jest stosowana w ratownictwie (przy katastrofach budowlanych, naturalnych), kiedy do odnalezienia ofiar niezbędna jest interwencja człowieka i usuwanie ciężkich przeszkód, a ilość miejsca lub warunki uniemożliwiają użycie ciężkiego sprzętu. Wielkim odbiorcą projektów badawczo-rozwojowych dotyczących egzoszkieletów jest wojsko. Urządzenia przeznaczone dla armii pozwalają na szybkie przemieszczanie się z dużym obciążeniem przez długi czas, na noszenie w warunkach bojowych opancerzenia, niezbędnych urządzeń technicznych i ciężkiej broni ręcznej – bez ograniczania szybkości i sprawności żołnierza.
Egzoszkielety można podzielić także ze względu na metodę zasilania i wspomagania pracy mięśni (elektryczne, mechaniczne, hydrauliczne lub pneumatyczne) oraz ze względu na sposób sterowania. Wyzwalanie ruchu może odbywać się na kilka sposobów, takich jak:
- sterowanie joystickiem,
- uruchamianie przyciskiem,
- kierowanie głosem,
- przenoszenie do urządzenia impulsów z nerwów lub mięśni osoby noszącej egzoszkielet za pośrednictwem elektrod (przyklejonych do skóry lub wprowadzonych pod nią).
W sferze badań i prototypowania są egzoszkielety sterowane za pomocą impulsów pochodzących z ośrodków ruchowych mózgu. Na obecnym etapie prac są to jednak urządzenia, które podlegają dalszemu rozwojowi – nie działają jeszcze w 100% zgodnie z oczekiwaniami.
Egzoszkielet – budowa
Egzoszkielet może być urządzeniem wspomagającym całe ciało lub tylko niektóre kończyny. Składa się zwykle z dopasowanych do budowy ciała zewnętrznych wzmocnień (opowiadających kościom długim), połączonych „stawami”, których zginanie, odwodzenie czy rotacja są wykonywane za pomocą siłowników. Urządzenia wspierające pracę kończyn dolnych (dwukończynowe) obejmują również części stabilizujące położenie miednicy, kręgosłupa i klatki piersiowej. Egzoszkielet czterokończynowy wyposażony jest ponadto w konstrukcję sterującą pracą ramion, przedramion, nadgarstków, a nawet palców.
Dodatkowymi elementami są czujniki położenia, obciążenia poszczególnych elementów, układy sterowania i zasilanie (najczęściej w postaci akumulatorów elektrycznych). W niektórych konstrukcjach są one umieszczone w (podobnym do plecaka) pojemniku na plecach, w innych – rozłożone równomiernie w innych częściach urządzenia, co sprawia, że obciążenie masą całego układu jest bardziej równomiernie.
Egzoszkielet do zastosowań medycznych – wykorzystanie
Egzoszkielety do zastosowań medycznych służą przede wszystkim chorym z dysfunkcją układu nerwowego i mięśniowego. Chodzi głównie o osoby, które nie są w stanie sterować ruchami swojego ciała albo których mięśnie, ze względu na chorobę, nie mają dostatecznej siły, by umożliwić wstawanie, chodzenie czy wykonywanie czynności rękami. Egzoszkielet stosuje się m.in. w przypadku porażenia poprzecznego rdzenia na różnych wysokościach, stanów pourazowych i poudarowych, stwardnienia rozsianego, niektórych postaci atrofii mięśni.
W najczęściej wykorzystywanych wersjach egzoszkielety medyczne są sterowane za pomocą przycisków, początkowo używanych przez rehabilitanta, a w późniejszych fazach usprawniania – bezpośrednio przez chorego. Mogą być one umieszczone w uchwytach balkonika wspierającego chodzenie lub w kulach, na których opiera się pacjent. Modele służące do wspomagania pracy kończyny górnej wymagają najczęściej sterowania bionicznego. Urządzenie wykonuje ruchy dzięki impulsom odbieranym z nerwów obwodowych.
