Koniec i co dalej - poczuć się jak młody cyborg
W wielu ośrodkach badawczych świata naukowcy stopniowo wprowadzają nas w nową erę - erę cyborgów. Pojawiają się w niej na coraz szerszą skalę zaawansowane protezy, w tym takie sterowane bezpośrednio umysłem, rozruszniki serca, implanty ślimakowe czy stawy z metali. Wprowadzanie do ciała człowieka komponentów mechanicznych lub elektronicznych już nie szokuje, nie jest zresztą wcale rzeczą całkiem nową. Czy eliminacja niepełnosprawności w ciągu pół wieku stanowi realną perspektywę? Być może nie, ale od kilku lat dzieją się rzeczy, na które nie sposób patrzeć bez nadziei.
Sterowanie mózgiem
Podobnie jak zespół Hugh Herra wielu specjalistów na świecie skupia się na zapewnieniu ludziom pełnej kontroli nad protezami. Już wiemy, że można to robić bezpośrednio za pomocą ludzkiego mózgu. Celem tych wysiłków jest rejestracja i lepsze zrozumienie poleceń wychodzących z mózgu w postaci impulsów nerwowych, a następnie przekazanie tych instrukcji do protezy. Bezpośrednie połączenie mózgu z maszyną będzie skutecznie działać, gdy uda się połączyć protezę bezpośrednio z nerwami w amputowanych kończynach. Taki system mógłby nie tylko przekazywać precyzyjnie polecenia do elementów protetycznych, ale również przesyłać informacje sensoryczne z powrotem, do nerwów i mózgu. Jak mówi Herr, kiedy osoby po amputacjach rzeczywiście "poczują trawę pod protetycznymi palcami", wtedy wszyscy zaczną patrzeć na biomechatronikę z należytą powagą.
Ostatnie lata przyniosły wiele rozwiązań, które wyglądają wręcz rewolucyjnie. Ogromne wrażenie zrobiły na początku 2015 r. opracowane przez Uniwersytet Johnsa Hopkinsa bioniczne ramiona poruszane za pomocą umysłu. Możliwość ich wypróbowania miał Leslie Baugh, który ponad czterdzieści lat wcześniej stracił obie ręce. Zanim stworzono protezy, pacjent ćwiczył w systemie wirtualnej rzeczywistości, dzięki czemu oprogramowanie "nauczyło" się wzorów poruszania kończynami przez Lesliego. Później przeprowadzono zabieg chirurgiczny, dzięki któremu uaktywniono zakończenia nerwowe na ramionach. Następnie przyszedł czas na naukę posługiwania się protezami. Do ciała mężczyzny przymocowano sensory, pomagające przekazywać impulsy do bionicznych ramion. W efekcie pacjent po treningu był w stanie wykonywać drobne czynności, takie jak np. przenoszenie kubków na półkę. Protezy połączono z nerwami ramion i górnej klatki piersiowej. Twórcy systemu wykorzystali nerwy, które kiedyś były używane do poruszania rękami, ale przez lata pozostawały nieczynne.
Znanym w mediach bohaterem współczesnej bioniki stał się Zac Vawter, który testował protezę nogi kontrolowaną myślami. Połączono ją przewodami ze ścięgnem udowym, gdzie znajdują się łącza z nerwami. Impulsy wędrowały do pokładowego komputera protezy, który zarządza mechaniką prostującą lub też zginającą kończynę.
Swoistymi protezami, czasami zastępującymi całe ciało, mogą być sterowane bezpośrednio za pomocą umysłu egzoszkielety, rozwijające się ostatnio bardzo dynamicznie. Kilka lat temu inżynier z Uniwersytetu w Houston, Jose Contreras-Vidal, zintegrował z nowozelandzkim egzoszkieletem REX interfejs mózgowy BCI (brain-computer interface). A zatem zamiast dżojstikiem, egzoszkielet może być zarządzany bezpośrednio z głowy.
I nie jest to oczywiście jedyny typ egzoszkieletu, który pozwala na "mózgowe" sterowanie. Zespół koreańskich i niemieckich uczonych opracował np. system sterowania egzoszkieletem poruszającym kończynami dolnymi za pomocą interfejsu mózgowego, opartego na urządzeniu elektroencefalograficznym i diodach LED. Informacja o tym rozwiązaniu, niezwykle obiecującym z punktu widzenia osób przykutych do wózka, ukazała się kilka lat temu w czasopiśmie specjalistycznym "Journal of Neural Engineering". System pozwala użytkownikowi na poruszanie się do przodu, na skręty w lewo i w prawo, oraz na stabilne stanie w miejscu. Osoba ma na głowie typowy dla EEG "hełmofon" i przesyła odpowiednie impulsy, skupiając się i wpatrując w układ pięciu diod LED. Każda z diod migocze z określoną częstotliwością, a użytkownik skupia się na wybranej diodzie o określonej częstotliwości, co skutkuje odpowiednim odczytem impulsów mózgowych przez EEG. System ten wymaga pewnego treningu, ale, jak zapewniają konstruktorzy, skutecznie wyławia właściwe impulsy z całości szumu mózgowego. Co ważne, osobom uczestniczącym w testach opanowanie umiejętności skutecznego sterowania egzoszkieletem poruszającym nogi zajmowało zazwyczaj zaledwie ok. pięć minut.
Innym nurtem badań są egzoszkielety, niekoniecznie poruszające się niejako "za użytkownika" lecz np. rehabilitacyjne. Przez prawie cały rok 2018 w jednym z centrów rehabilitacji na Florydzie robotyczny egzoszkielet Hybrid Assistive Limb (HAL) firmy Cyberdyne pomagał ludziom z paraliżem dolnej połowy ciała uczyć się chodzić. W przeciwieństwie do innych egzoszkieletów, które automatycznie poruszają ciałem użytkownika, HAL wykrywa ruchy poszczególnych mięśni pacjentów, dając im impuls do ruchu.
HAL jest wyposażony w inteligencję rozpoznającą za pomocą analizy sygnałów nerwowych docierających do elektrod mocowanych na nogach, że ktoś próbuje chodzić. Analizuje ten sygnał i określa, kiedy mózg próbuje powiedzieć nogom, aby szły. Następnie pomaga nogom zrobić to, czego chce mózg. Ważne dla rehabilitacji jest to, że to nie egzoszkielet a człowiek kieruje ruchem. Proces przesyłania sygnałów z mózgu i informacji zwrotnych może w końcu nauczyć osobę, która straciła sprawność, ponownie się poruszać. A zatem jest to walka z niepełnoprawnością przez rzeczywiste przywracanie sprawności.
Najbardziej znaną konstrukcją tego typu jest ReWalk, który ma przywracać mobilność osobom sparaliżowanym od pasa w dół. Egzoszkielet wspomaga kolana i biodra, tym samym pozwalając niepełnosprawnej osobie znów stanąć na nogi. Jedynym warunkiem są sprawne ramiona, umożliwiające dodatkowe wsparcie się na kulach. ReWalk jest przeznaczony do codziennego użytku i stanowi pierwsze tego typu urządzenie dostępne w sprzedaży detalicznej.
Historia Claire Lomas pokazuje, że egzoszkielet może przed osobą niepełnosprawną otworzyć drogę do nowego życia. W roku 2012 sparaliżowana od pasa w dół Brytyjka zdobyła sławę, pokonując z pomocą ReWalk trasę londyńskiego maratonu. Zajęło jej to co prawda aż siedemnaście dni, ale doszła do mety.
Egzoszkielety nie zastąpią na razie inwalidzkich wózków, które zresztą również zmieniają się radykalnie. Widać to po takich konstrukcjach, jak iBOT. Choć modele tego rodzaju testuje się dopiero od niedawna, już teraz wydają się bardzo obiecujące. Oprócz możliwości pokonywania barier i stwarzania psychologicznego komfortu, szkielet daje przykutym do wózka szansę na aktywną rehabilitację. Pionowa pozycja wzmacnia serce, mięśnie, poprawia krążenie i funkcjonowanie innych części ciała, osłabionych przez codzienne siedzenie.
Mobilność sterowana światłem
Kto wie zresztą , czy robotyczne egzoszkielety w dalszej perspektywie będą w ogóle potrzebne. Naukowcy pracują bowiem nad technikami, które pozwolą ludziom sparaliżowanym odzyskać kontrolę nad swoimi mięśniami poprzez stymulacje elektryczne lub za pomocą precyzyjnych impulsów światła.
Optogenetyka to rodzaj stymulacji nerwowej, która aktywuje wrażliwe na światło białka, zwane opsynami, znajdujące się w układzie nerwowym. W badaniach opisywanych w grudniu 2018 r. w czasopiśmie "Nature Communications" naukowcy wykorzystywali stymulację optogenetyczną do zaprogramowania ruchów zmodyfikowanych genetycznie myszy, tak aby nerwy kontrolujące ich mięśnie reagowały na światło. Uczeni potrafili sprawić, że myszy wykonywały zaprogramowane przez nich ruchy. W porównaniu z próbami, w których do kontroli kończyn myszy wykorzystywano energię elektryczną, stymulacja optogenetyczna była bardziej precyzyjna, skuteczniejsza, a także prowadziła do mniejszego zmęczenia mięśni.
Wspomniane impulsy elektryczne stosowane są w leczeniu pewnych chorób i przypadłości. Neurolodzy odkryli przed laty, że za pomocą energii elektrycznej można leczyć lęki - w celu zmiany aktywności neuronów. DBS, jedna z eksperymentalnych metod leczenia depresji, wykorzystuje wszczepiony "rozrusznik mózgu", który wysyła impulsy elektryczne do niektórych regionów umysłu. Ponad 100 tysiącom pacjentów z chorobą Parkinsona wszczepiono w ostatnich latach elektrody w obszarach mózgu odpowiedzialnych za motorykę - tam, gdzie impulsy stymulatora zmniejszają aktywność nieprawidłowo działających neuronów. Poprawiło to u nich koordynacje ruchową. Jest całkiem możliwe, że już wkrótce pacjenci z chorobą Alzheimera będą wyposażeni w protezy pamięci pochodzące z urządzeń wynalezionych dziś w laboratoriach naukowców - takich jak Theodore Berger z Uniwersytetu Południowej Kalifornii.
Rewolucja na naszych oczach
Jeszcze nie tak dawno temu niepełnosprawność była kojarzona z czymś, z czym trzeba pogodzić się na resztę życia. W XX wieku sytuacja osób niepełnosprawnych zaczęła stopniowo się zmieniać, jednak dopiero teraz jesteśmy świadkami prawdziwej rewolucji. Koniec niepełnosprawności może nie przyjdzie jutro czy pojutrze, ale jest czymś, co już wyraźnie widać na horyzoncie.
Wózek inwalidzki iBOT:
Chodzenie przed i po rehabilitacji z egzoszkieletem HAL:
