Egzoszkielet HAL - co to jest

Kojarzący się najczęściej z filmami i literaturą science-fiction, egzoszkielet jest rodzajem zewnętrznej konstrukcji mocowanej do ciała użytkownika, której zadaniem jest wzmocnienie siły mięśni i tym samym znaczne zwiększenie możliwych do przeniesienia ciężarów. Jak wiele zaawansowanych technicznie wynalazków wywodzi swoje pochodzenie z badań prowadzonych na potrzeby wojska – mających poprawić zdolności bojowe żołnierza na polu walki. Obecnie jednak technologia egzoszkieletu rozwijana jest także pod katem zastosowań medycznych, wspomagających osoby starsze i niepełnosprawne. Użycie egzoszkieletu pozwala na znaczną redukcję wysiłku człowieka lub nawet zastąpienie niektórych części ciała obarczonych dysfunkcjami. 

Urządzenie, mocowane do ciała użytkownika systemem specjalnych pasów i zapięć, poruszane jest systemem siłowników elektrycznych, pneumatycznych lub hydraulicznych. Do ich napędzania służy zestaw silników elektrycznych zasilanych energią z wbudowanych akumulatorów a całość nadzoruje sterownik w postaci mikrokoputera. Dodatkowo, mogą występować też czujniki żyroskopowe, informujące system o stanie równowagi w jakim znajduje się dana osoba i wprowadzające do systemu ewentualne korekty mające na celu przywrócenie optymalnej pozycji.

Egzoszkielet HAL-5 w medycynie i fizjoterapii

Jednym z najnowocześniejszych egzoszkieletów do zastosowań cywilnych jest model HAL (Hybrid Assistive Limb) - dostępny aktualnie w wersji HAL-5 (piąta generacja). Urządzenie opracował w 2006 r. japoński naukowiec dr Yoshiyuki Sankai z Uniwersytetu Tsukuba, a jego produkcją zajmuje się powołana specjalnie w tym celu spółka Cyberdyne Inc.

Egzoszkielet HAL-5 składa się z metalowego szkieletu pokrytego tworzywem sztucznym, pod którym umieszczone są wszelkie niezbędne elementy urządzenia, silniki i układ kontrolo-sterujący. Jest on mocowany systemem pasków do tułowia i kończyn pacjenta, zapewniając mu zewnętrzne wzmocnienie w każdej pozycji, podczas poruszania się, a także zwiększenie możliwości kończyn górnych i dolnych poprzez dodawanie do siły człowieka mocy silników egzoszkieletu.

Moc silników egzoszkieletu jest wystarczająca, aby dodać do udźwigu człowieka ok. 40 kg, bez względu na to, jaki ciężar mógł on unieść bez urządzenia i utrzymać taki ciężar w rękach przez 5-10 minut. Urządzenie waży ok. 15 kg (wersja na kończyny dolne) lub 24 kg (kończyny dolne i górne) a dwa zestawy akumulatorów zapewniają pracę średnio przez 2,5 godziny.

Poprawne działanie egzoszkieletu HAL-5 zapewniają czujniki zmiany kąta położenia, czujniki bioelektryczne, czujniki nacisku na podłoże oraz inne, monitorujące stan urządzenia i operującego go człowieka. W tylnej części robota znajdują się napędy, system pomiarowy, komputer, bezprzewodowa sieć LAN i zasilanie. Dzięki bateriom przymocowanym na poziomie talii HAL jest kompletnym zrobotyzowanym systemem zdolnym do noszenia przez człowieka. Za odczyt i interpretację zamiarów użytkownika – kierunku w którym chce iść, szybkości poruszania, wchodzenia lub schodzenia po schodach – odpowiadają czujniki przymocowane do jego nóg. Odbierają one zmiany natężenia pola elektrycznego występujące w momencie przesyłania przez mózg impulsów do mięśni a odczytujący komputer podejmuje decyzję, który silnik uruchomić – cała procedura trwa ułamek sekundy.

Całe urządzenie uruchamia się automatycznie, gdy tylko osoba używająca egzoszkieletu zacznie kroczyć. Komputer sprawdza, w jakiej postawie człowiek stoi i idzie, jaki jest jego styl chodzenia, które mięśnie działają sprawnie, a które wymagają mechanicznego podparcia. Po chwili HAL przystosowuje się do wymagań użytkownika i zaczyna aktywnie wspomagać chodzenie – jego działanie może być kalibrowane w zależności od indywidualnych potrzeb użytkownika, pozwalając np. na większe wspomaganie jednej z kończyn.

Egzoszkielet HAL-5 jest przeznaczony jest zwłaszcza do wspomagania poruszania się ludzi starszych, osób z niedowładem kończyn, a także jako pomoc w rehabilitacji. Przy jego pomocy są one w stanie samodzielnie przemieszczać się niewielkim nakładem sił a nawet wykonywać prace domowe, nie narażając się na częste upadki.

Konstruktor HAL-a twierdzi, że kolejne etapy modernizacji egzoszkieletu będą prowadziły w kierunku stworzenia cienkiego kombinezonu, umożliwiającego użytkownikowi swobodne ruchy a nawet bieg.