pondělí 3. prosince 2012

Člověk jako stavebnice I.

Když se poláme mraveneček z dětské a tudíž infantilní říkanky, dostane prášek cukru, a pokud není, jak doktor předpokládal, do rána jako rys, tak mu prostě kolega zafouká na bolístku, pohladí ho po čele a hned je zástupce blanokřídlých v pořádku. Člověk to má těžší, nemoci či úrazy, které si přivodí, mu nenávratně mění tělo a ztěžují mu život nebo mu jej rovnou berou. V dnešní době řada vědců, techniků, lékařů dodává člověku do budoucna velkou naději na uzdravení se z těžkých, v dnešní době smrtelných, chorob, slibují dokonalé nahrazení poraněných rukou, nohou, nemocného srdce, prodloužení života, dlouhé mládí - ta naděje má jméno nanomedicína, bionika, bioinženýrství…


Náhradní částí těl - ruce a nohy

Člověk si způsoboval úrazy odpradávna, nejstarší nám známou protézou jsou cca 3000 let staré umělé prsty - palce na nohou, které postiženým zhotovili starověcí "protetici" v Egyptě. Jsou známy tři a materiál k jejich zhotovení tvořilo dřevo nebo hedvábí tvrzené klihem, na nohu se připínaly koženými řemínky. Onu hedvábnou protézu palce můžete vidět v Britském muzeu. Po staletí se v protetice nic neměnilo - pokud člověk přišel o končetinu a přežil to, pořídil si většinou dřevěnou protézu, která pouze prodlužovala pahýl a k tělu se připínala koženými řemínky. Takovéto protézy přetrvaly až do první poloviny 20. století, výroba dokonalejších protéz začala až po roce 1945. Mělo to svůj důvod - jedním z následků druhé světové války bylo i množství mladých invalidů, kteří přišli o končetiny - nutnost nějak řešit jejich situaci dala vzniknout oboru protetika. Nejdříve byl vytvořen u nožní protézy pohyblivý kloub. Následně se výzkumem a vývojem protéz začalo zabývat mnoho států. Cílem bylo vyvinout elektricky ovládanou protézu nohou i rukou. První takováto protéza se sériově vyráběla od roku 1965 v tehdejším Sovětském svazu, následovala Kanada a Rakousko.
V současnosti se pacienti setkávají s pohyblivými myoelektrickými protézami, které pod povrchem z plastické hmoty skrývají místo svalů, šlach a kostí elektrotechnicky náročný mechanismus. Dokonaleji nahrazují chybějící paži díky několika malým elektromotorkům, které umožňují silné a přesné uchopení předmětů, ale i pohyb ruky, zapěstí i lokte či prstů. U takovýchto protéz jsou samostatně pohyblivé většinou jen palec, druhý a třetí prst, zbylé se pohybují jako blok. Tyto náhradní končetiny se ovládají myoelektrickým signálem - ten vzniká pomocí elektrod napojených na tělo a snímajících elektrické signály vyvolané svalovými stahy (EMG) zbytku paže. Signály jsou slabé (12 miliontin voltu), proto je nutné je zesílit a to ještě dříve, než dojdou do řídící jednotky, ze které se dává příkaz elektromotorkům. Příkaz motorkům samozřejmě odpovídá přijatým signálům - svalovým stahům - v praxi to znamená, že umělou rukou lze provádět jednoduché činnosti jako otevírat skříň, uchopovat jakékoli tenké předměty, nalít si sklenku vody… Učení se těmto jednoduchým činnostem je ovšem obtížné, z principu konstrukce je jasné, že myoelektrické protézy nemohou pacientovi poskytovat zpětnou vazbu. Energetickým zdrojem protézy je výměnný akumulátor.
Nejznámější umělou paží je Edinburgh Modular Arm Systém, z názvu je patrné, že vznikla ve Skotském městě Edinburgh. Konkrétně na místní universitě na katedře ortopedické chirurgie, pod vedením Davida Gowa. Na této bionické ruce vědci pracují od roku 1987 a výzkum je prý velice štědře financován i skotskou vládou. Jedná se o první takovouto paži - myoelektrickou protézu na světě a jejím úplně prvním uživatelem a zároveň dobrovolnou pokusnou osobou byl Campbell Aird. Jednu z prvních verzí bionické paže si k tělu připevnil v roce 1993 a dostal se tak do Guinnessovy knihy rekordů.
EMAS se může otáčet v rameni, lokti i zápěstí a pokrývá jí hmota z kaučuku a silikonu
V současnosti ji začíná vyrábět firma TouchBionics, ve které je David Gow technickým ředitelem.
Je nutné se ještě zmínit o výzkumu prováděném na universitě v Southamptonu. V roce 2005 zde představili prototyp Southampton Remedi-Hand jedná se o protézu ne celé ruky, ale její části od zápěstí. Díky šesti motorkům a převodům se každý prst pohybuje samostatně což vede k dokonalejšímu úchopu předmětů i kulatých. Nesrovnalost pět prstů a šest motorků je logická - pro palec, který se pohybuje složitěji než ostatní prsty jsou potřeba dva. Bionické zapěstí je spojeno se svaly pomocí malých procesních jednotek a řídí se opět svalovými stahy.

Jaká bude bionická ruka v budoucnosti? Tvůrci EMAS by chtěli, aby byla ovládaná přímo z mozku pacienta. Jinou možnou variantou k dosažení dokonalého ovládání protézy by bylo její napojení přímo na nervová zakončení v pahýlu paže. Obojí je velmi obtížné a výzkum teprve začíná.
Kromě náhradních rukou se vědci samozřejmě zabývají i výzkumem protéz nahrazujících dolní končetiny - zde není problém v ovládání úchopu prsty, ale například s ohýbáním kolene.
První pasivní biomechanickou protézu nohy vytvořila v roce 1999 firma Otto Bock. Dostala název C-leg.
Revoluci v protetice má být protéza Power Knee - jedná se o bionické koleno a holeň. Jejím vývoje se zabývá oddělení BioTronix firmy Victhom a výrobou společnost Ossur.
Power Knee používá elektromechanický zdroj energie a systém řízení - "Sound-Side Sensory-Control" (SSSC), díky kterému je realizována jeho kinetika i kinematika v souladu s biomechanickými procesy člověka. Jednodušeji řečeno SSSC je schopné imitovat kolenní svaly - jejich funkci v noze.
Technologie SSSC je založena na shromažďování informací o charakteristice kroku člověka a následném využití této informace pro řízení pohybu protézy. Všechny nutné veličiny k řízení protézy se měří 1350krát za sekundu, což vede k její skutečné symbióze s člověkem.
Inteligentní řízení umožňuje významně zmenšit výdaje energie, takže s touto protézou pacient bez problémů může na vycházku do lesa nebo na dálkový pochod.
Podle současných trendů v protetice se dá usuzovat, že za několik desítek let mohou být vyvinuty náhrady nohou a rukou, které budou ovládány z mozku a na první pohled nebude vidět, že se jedná o protézy, navíc tyto umělé končetiny umožní člověku jistě i možnost vyvinutí větší síly i rychlosti a pro zdravé lidi budou na trhu exoskelety.

Žádné komentáře:

Okomentovat