Pewnie, że najtaniej byłoby zamówić tysiąc sztuk w Chinach. Ale my chcemy działać jako manufaktura, a nie taśmowo tworzyć setki urządzeń i wypuszczać je na rynek – mówi Piotr Woźniak, współtwórca polskiego egzoszkieletu
Jak to jest – nie chodzić? Nie móc się podnieść, wyprostować, stanąć z drugim człowiekiem twarzą w twarz? Jak to jest żyć na siedząco, na wózku inwalidzkim? Zdrowi rzadko zadają sobie te pytania. Zresztą większość i tak nie potrafiłaby na nie odpowiedzieć.
Przyczyny „unieruchomienia” człowieka mogą być różne, lecz skutki takiego trybu życia zawsze są podobne. Poza niemożnością swobodnego poruszania się występuje także zaburzenie wielu innych funkcji życiowych: płytsze oddychanie, gorsza perystaltyka jelit, słaba stymulacja układu neurologicznego, słabsze ukrwienie i mniejsza gęstość kości. Do tego problemy natury psychologicznej, częste depresje, a nawet próby samobójcze. Osoby z niepełnosprawnością ruchową, nawet jeśli korzystają z rehabilitacji, mogą liczyć na zaledwie godzinę-dwie ruchu dziennie. Co z pozostałymi 22? A co z tymi, którzy w ogóle nie mają dostępu do rehabilitacji?
W najtrudniejszej sytuacji są dzieci, które do prawidłowego rozwoju potrzebują mnóstwa bodźców. Dlatego dzieci trzeba „uruchomić” za wszelką cenę.
Żeby mogły wstać
Dr Anna Gogola z Akademii Wychowania Fizycznego w Katowicach na zajęcia ze studentami zaczęła zapraszać swoich pacjentów. Wśród nich były również dzieci, które z powodu dysfunkcji nie mogły samodzielnie chodzić.
Co zrobić, żeby mogły wstać? – głowił się Piotr Woźniak, wówczas student III roku fizjoterapii.
– To wtedy zaczął mi w głowie kiełkować ten pomysł – mówi Woźniak, dziś doświadczony fizjoterapeuta. – Mój przyjaciel Mateusz Dyląg studiował automatykę i robotykę na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Zaczęliśmy się wspólnie zastanawiać, czy moglibyśmy kiedyś stworzyć narzędzie, które on zbuduje, a ja wykorzystam w pracy z niepełnosprawnymi pacjentami. Takie, które umożliwi poruszanie się ludziom z niepełnosprawnością ruchową, a może nawet postawi ich do pionu. Zdecydowaliśmy: zrobimy egzoszkielet.
Obaj napisali na temat egzoszkieletów swoje prace dyplomowe: Mateusz o tym, jak powinny one wyglądać od strony technicznej, Piotr – w jaki sposób pomagają w rehabilitacji pacjentów z zaburzeniami chodu. Po studiach Mateusz Dyląg wraz z kolegami założyli firmę ATMAT, która zajęła się produkcją drukarek 3D. To był pierwszy krok do realizacji ich wizji.
Na początek najtrudniejsze
Egzoszkielety nie są nową technologią. Pierwsze koncepcje powstawały już w latach 60. dla amerykańskiego wojska; miały zwiększyć mobilność i siłę żołnierzy. Współcześnie poza armią wykorzystują je strażacy, służby ratownicze i nieliczne ośrodki rehabilitacji. Jest to bardzo drogi sprzęt: spośród kilku dostępnych w Polsce modeli najtańszy kosztuje pół miliona złotych.
– My chcieliśmy stworzyć na tyle tanie egzoszkielety, by mogli z nich korzystać polscy pacjenci – wyjaśnia Piotr Woźniak. Liczyli, że obniżyć koszt rynkowy pozwoli im właśnie druk 3D, którego zaletą jest możliwość taniej produkcji jednostkowej i łatwego personalizowania kształtów urządzenia. Druk 3D oferuje przy tym relatywnie niewielką masę produkowanych elementów.
Jednemu dziecku egzoszkielet pomoże chodzić pewniej, innemu umożliwi jakiekolwiek poruszanie się
W 2017 roku firma ATMAT otrzymała grant z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju na realizację trzyletniego projektu opracowania koncepcji i wdrożenia do produkcji egzoszkieletu.
Autorzy postanowili, że na początek podejmą się najtrudniejszego z punktu widzenia rehabilitacji wyzwania: opracowania egzoszkieletu do rehabilitacji najmłodszych pacjentów z mózgowym porażeniem dziecięcym. Bo jeśli się uda, to urządzenie posłuży też dzieciom z innymi dysfunkcjami, a po przeskalowaniu rozwiązania – również dorosłym.
Wersje pasywne, wersje aktywne
Głównym konstruktorem urządzenia, odpowiedzialnym za projektowanie i optymalizację, a także za dobór najlepszych rozwiązań, został Łukasz Matuła, inżynier i projektant CAD. Nadzór prac nad tworzeniem podsystemów egzoszkieletu sprawuje Michał Góra, wiceprezes i dyrektor ds. technicznych ATMAT. Przez trzy lata powstało kilka wersji egzoszkieletu, z których każda kolejna sprawdzała inne rozwiązania koncepcyjne.
– Najpierw tworzyliśmy pasywne wersje, bez napędów, żeby sprawdzić rozwiązania konstrukcyjne – opowiada Agnieszka Pręcikowska, specjalista ds. inżynierii biomedycznej, która zajmuje się projektowaniem systemu stabilizacji kończyn pacjenta w egzoszkielecie. – Musieliśmy dopasować wielkość elementów do danych antropometrycznych: obwodów, szerokości, długości poszczególnych kości w populacji. Egzoszkielet ma regulację szerokości w biodrach, długości elementu pomiędzy stawem biodrowym a kolanowym i między stawem kolanowym a skokowym. Jest również możliwość odchylenia zapięć, zrotowania ich pod odpowiednim kątem. W zasadzie wszystkie parametry są modyfikowalne w zależności od anatomii i stopnia niepełnosprawności – opowiada Pręcikowska.
Pierwsza wersja została niemal w całości wydrukowana na drukarce 3D. – Mieliśmy dostęp do drukarek, które produkuje ATMAT, mogliśmy prototypować nowe części. Niestety, okazało się, że druk 3D ma też swoje wady. Niektóre elementy mające przenosić obciążenia pękały albo odkształcały się. Musieliśmy je wykonać inaczej.
Potem przyszła kolej na wersje aktywne. Testowali różne napędy, by znaleźć i dopasować najlepsze. Do początkowych czterech, umieszczonych przy biodrach i kolanach, dodali kolejne – w stopach, by umożliwić ich zgięcie. Aby oddać jak najlepiej parametry chodu i uniknąć efektu sztuczności ruchów, dodawali kolejne. Ostatnia wersja egzoszkieletu ma dziesięć niezależnych napędów, co przekłada się na dziesięć aktywnych stopni swobody. Odpowiadają między innymi za zgięcie i wyprost w biodrze, kolanie i stawie skokowym, ruch stopą na boki, ruch odwodzenia
i przywodzenia w udzie. Na rynku nie ma aktualnie urządzenia o podobnych możliwościach.
Dziś 30 stopni, jutro 33
Jak działa egzoszkielet?
Warunkiem korzystania z niego jest zdolność do samodzielnej stabilizacji tułowia, więc pacjent zupełnie wiotki nie może używać tego narzędzia rehabilitacji. Gdy z pomocą fizjoterapeuty lub opiekuna pacjent zostanie umieszczony w egzoszkielecie, samodzielnie aktywuje go za pomocą przycisku, a urządzenie zaczyna realizować wybraną wcześniej opcję – chód albo inne zaplanowane przez opiekuna medycznego ćwiczenie. Ale to wymaga przygotowania pacjenta.
– To nie tak, że dziecko przez osiem lat rehabilitowane na łóżku szpitalnym nagle zakłada egzoszkielet i idzie – zastrzega Woźniak. – To cały proces przygotowujący do terapii robotycznej. Najpierw będziemy badać pacjenta, określać zakresy bezpiecznej ruchomości i odpowiednio programować urządzenie. Potem przeprowadzimy terapię wprowadzającą, taką rozgrzewkę.
Dziecięca wersja będzie ważyła (z bateriami) między 25 a 30 kg, wersja dla dorosłych – około 40-45 kg
W gruncie rzeczy krakowski zespół tworzy wielowymiarowy system rehabilitacji. To nie tylko egzoszkielet, ale także dodatkowe akcesoria: chodzik, kule, wózek elektryczny i platforma do zarządzania terapią. Telemedyczna aplikacja poprzez sensory i enkodery gromadząca dane z procesu rehabilitacji pozwoli fizjoterapeucie zdalnie ocenić, jak dziecko wykonało zaplanowaną na dany dzień serię ćwiczeń i czy można zwiększyć u niego zakres ruchu, a potem – zdalnie to zaprogramować: „Dzisiaj 30 stopni w tym stawie było w porządku? To jutro nastawimy egzoszkielet na 33 stopnie”. Pacjent ma przy tym możliwość samodzielnego zatrzymania urządzenia.
W planach jest też wykorzystanie wirtualnej rzeczywistości.
– Mali pacjenci bywają znudzeni i zmęczeni wielogodzinną terapią – mówi Pręcikowska. – Dzięki VR znajdą się w wirtualnym świecie, w którym ciekawiej będzie wykonywać ćwiczenia, na przykład goniąc jakieś zwierzątko. Myślę, że dla dorosłych VR również będzie atrakcyjny, bo rehabilitacja bywa monotonna.
Zaczniemy od pięciolatków
W prototypowej wersji w technologii druku 3D produkowane są elementy stopy i zapięcia, które pozwalają wygodnie utrzymać człowieka w egzoszkielecie. Dziecięca wersja w wariancie z baterią zasilającą będzie ważyła między 25 a 30 kg, wersja dla dorosłych – około 40-45 kg.
– Nadal staramy się odchudzić konstrukcję dla dzieci, tym bardziej że dzieci z dysfunkcjami przeważnie są szczupłe i lekkie – przyznaje Agnieszka Pręcikowska – ale pamiętajmy, że tutaj urządzenie samo siebie będzie nosić; dziecko będzie miało na plecach plecak z bateriami, ale nie będzie odczuwało, że ma na sobie kilkadziesiąt kilo sprzętu.
Dzięki budowie modułowej egzoszkielet dla dzieci będzie regulowany odpowiednio do wzrostu pacjenta.
– Nie wiadomo, od jakiego wieku dziecko może korzystać z egzoszkieletu; nie ma badań na ten temat. Uznaliśmy więc, że weźmiemy pod uwagę najmłodsze dzieci, u których nie zaszły jeszcze zmiany strukturalne ciała – mówi Woźniak. – Później zmniejszona ruchomość stawów czy deformacje kostne mogą być nieodwracalne albo odwracalne jedynie przy zastosowaniu chirurgii.
Prototyp dla dorosłych właśnie jest testowany, wersja dziecięca będzie testowana wkrótce.
Nie ma większej radości
Jaka będzie finalna cena egzoszkieletu? Jeszcze nie wiadomo.
– Jesteśmy w stanie zejść do połowy kosztów innych egzoszkieletów dostępnych na rynku – zapewnia Woźniak. – Pewnie, że najtaniej byłoby zamówić tysiąc sztuk w Chinach, ale my chcemy działać jako manufaktura, a nie taśmowo tworzyć setki urządzeń i wypuszczać je na rynek. To byłoby niebezpieczne.
Egzoszkielet z Krakowa powinien trafić na rynek w 2021 roku. Potencjalnych odbiorców jest mnóstwo – odsetek osób niepełnosprawnych dochodzi już do 15 procent populacji, co w skali świata daje miliard osób! Jeszcze w latach 90. było ich 10 procent.
– W Polsce jest 200 tysięcy niepełnosprawnych dzieci w wieku do 15 lat – mówi Piotr Woźniak. – Nawet jeśli dotrzemy do jednego na tysiąc, to i tak będzie duża grupa. Jednemu dziecku egzoszkielet pomoże chodzić pewniej, innemu umożliwi jakiekolwiek poruszanie się. Każdy ruch będzie dla nich zbawienny, już samo spionizowanie potrafi zdziałać cuda. Wystarczy raz wziąć udział w takiej terapii, by się o tym przekonać. Nic nie daje większej radości niż uśmiech, który maluje się na twarzach pacjentów.