V posledních letech došlo k obrovskému pokroku ve vývoji náhradních robotických končetin. Již v nedaleké budoucnosti se mohou lidé po amputaci dočkat plnohodnotné náhrady za svou ztracenou ruku nebo nohu. Vítejte ve 21. století.
Válka, matka pokroku
Ať se nám to líbí nebo ne, velkým akcelerátorem technického vývoje byla vždy válka. Technika pokročila jak během světových válek v minulém století, tak válek v Iráku a Afghánistánu. Proč tomu tak je? Armády během válek mají přístup k obrovským finančním zdrojům a lidskému kapitálu. V zájmu vítězství jsou navíc zúčastněné státy ochotné investovat obrovské finanční prostředky do vývoje vítězných technologií.
Zářným příkladem jsou Ozbrojené síly Spojených států disponující ročním rozpočtem v řádu několika stovek miliard dolarů a zástupem vynikajících vědeckých pracovníků. Americká armáda má k dispozici také špičková vědecká pracoviště a fungující vztahy s vysokými školami a civilními technologickými firmami.
Během válek v Afghánistánu a Iráku došlo k obrovskému rozšíření improvizovaných nástražných systémů IED (Improvised Explosive Device). Výbuchy těchto nástražných systémů mrzačily ve velkém vojáky i civilisty. Během období 2000 až 2011 podstoupilo 6 144 amputací (včetně mnohočetných) celkem 5 694 amerických vojáků. Vyvstala tak velká společenská potřeba vývoje umělých končetin pro veterány z afghánské a irácké války.
Nejpalčivějším problémem jsou amputace rukou, někdy i obou. Přitom vytvořit plně funkční umělou ruku není nic jednoduchého. Problém není ani tak mechanická stránka věci, jako spíše vytvořit ovládací rozhraní (nejlépe oboustranné) ruka – člověk.
Senzory IMES
V současné době existuje řada způsobů, jak vytvořit spojení mezi robotickou rukou a člověkem. Jednou z možností jsou i Implantované myoelektrické senzory IMES (Implanted MyoElectric Sensors).
Senzory IMES jsou 16 mm dlouhé válečky o průměru 2,5 mm vyrobené z iridia a platiny a jsou umístěny ve zbytcích svalů na předloktí. Senzory jsou poháněny magnetickou indukcí, takže nepotřebují žádný vnější zdroj elektrické energie. Při zachycení nervového vzruchu ve svalu senzory vyšlou elektromagnetický signál, ten je následně zachycen dalšími senzory na kůži a předán řídicímu počítači. Počítač následně podá pokyn robotické ruce k provedení požadovaného pohybu. Celá operace netrvá déle než 0,1 sekundy.
Zatím dokáže robotická ruka využívající senzory IMES detekovat tři pohyby – otevření a zavření dlaně, otočení dlaně a zavření palce ruky. V budoucnu má však ruka zvládat až 13 druhů pohybů. V současné době probíhá intenzivní testování senzorů IMES. Pokud půjde vše dobře, vývojáři požádají americký Úřad pro kontrolu potravin a léčiv FDA (Food and Drug Administration) o certifikaci technologie.
Propojení nervů a elektroniky
Takové řešení však nejde použít při více devastujícím poranění končetiny, kdy je třeba přímé propojení nervů a elektroniky robotické ruky. Na takovém řešení pracuje tým evropských vědců z italských a švýcarských univerzit.
Výsledkem jejich snažení je umělá ruka LifeHand 2 s obousměrným nervovým propojením.
Prvním člověkem, jenž vyzkoušel umělou ruku LifeHand 2, se stal 36letý Denis Aabo Sørensen. Dlužno však podotknout, že Denis ovládal "pouze" malíček, ukazováček a palec. Elektrody připojené na loketním nervu odesílaly informace do protetického malíčku. Senzory umístěné ve středním nervu pak informace do umělého palce a ukazováčku.
Denis, nejenže dokázal ruku ovládat jako vlastní, ale také identifikoval jednotlivé předměty v ruce, poznal, zda jsou měkké, tvrdé, hranaté nebo kulaté. Když robotická dlaň svírala objekt, senzory na ruce vyslaly do nervů dva druhy signálů. Při měkké kontaktní ploše Denis cítil velmi mírné brnění. Při větším stisku ucítil impulsy pod hranicí bolesti.
Program RE-NET
Velkým problémem je však postupné rozpadání spojení mezi elektronikou a nervy. Tímto problémem se zabývá například Agentura pro pokročilé obranné projekty DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). DARPA v rámci komplexního programu RE-NET (Reliable Neural-Interface Technology) pracuje na vytvoření "dokonalého" obousměrného mostu mezi mozkem, nervy a robotickou rukou.
V rámci programu RE-NET je ustaveno několik týmů. Jeden tým například zkoumá časovou stabilitu propojení biotických (živých) a abiotických (neživých) systémů. Jednoduše řečeno, cílem je najít přesné a trvale rozhraní mezi nervy člověka a elektronikou.
Další tým například pracuje na vytvoření rozhraní napojeného přímo na mozek nebo míchu. Cílem je s dostatečnou rychlostí, přesností a spolehlivosti snímat nervové signály a převádět je do použitelné elektronické podoby.
Pro lidi, kteří přijdou „jen“ o předloktí (případně o nohu pod kolenem), se dají využít i jednodušší ovládací mechanismy ztracené končetiny (např. IMES). Bohužel však existují pacienti, kteří přišli o ruku u ramene, nebo mají ochrnutou celou dolní polovinou těla.„I když se současná generace mozkových nebo kortikálních rozhraní využívá ke kontrole mnoha stupňů volnosti v pokročilých protézách, vědci stále pracují na zlepšení jejich dlouhodobé životnosti a výkonu,“ říká Jack Judy, manažer programu RE-NET.
Jak může nervové propojení fungovat v praxi, ukazuje veterán Glen Lehman, který byl zraněn v Iráku. Ruku mu lékaři amputovali nad loktem. Pomocí technologie cílené svalové zpětné inervace TMR (Targeted Muscle Re-innervation) vědci stabilně propojili nervová zakončení v zachovalých svalech s robotickou protézou. Současné robotické protézy mají jednu nevýhodu: nemají smyslovou zpětnou vazbu. Protéza seržanta Lehmana je ovšem vybavena plochým nervo-elektrickým rozhraním FINE (Flat Interface Nerve Electrode), jež umožňuje pacientovi získat cit v některých prstech náhradní ruky.
Autor: Jan Grohmann