Robotske ruke - Touch Bionics
1. UVOD
Što su to robotske ruke? Većini će možda prva asocijacija robotske ruke biti ona u kakvom industrijskom okruženju uz pokretnu traku, no ipak robotske ruke, u kontekstu asistivne tehnologije, predstavljaju tehnološku evoluciju proteza, stoga ih se još naziva i inteligentnim protezama. Kada je riječ o protezama, podrazumijevaju se umjetne naprave koje zamjenjuju nedostajući dio tijela, a najčešće su to udovi, stoga razlikujemo proteze gornjih i donjih ekstremiteta. Takvi umjetni udovi (engl. artificial limbs) nadalje se mogu podijeliti u 3 glavne podskupine, a to su estetske proteze, mioelektrične proteze te proteze pokretane snagom mišića. Za razliku od pasivne estetske protetike čija svrha je isključivo kozmetičke prirode, ostale dvije skupine predstavljaju funkcionalna rješenja koja donekle omogućavaju pokretanje umjetnih udova. Dok se proteze pokretane snagom mišića (engl. body-powered) na tijelo pričvršćuju remenjem, a upravljanje (uglavnom jednostavni pokreti različitim nastavcima, npr. otvaranje i zatvaranje hvataljkom u obliku kliješta) je omogućeno povlačenjem kablova snagom suprotnog ramena, mioelektrične proteze pak zahtijevaju pogonski sustav što podrazumijeva izvor napajanja, ali i senzore koji detektiraju EMG signale prilikom kontrakcije mišića batrljka te mikrokontrolera kojim se omogućava upravljanje protezom. [1]
U medicini, bionika (biologija + elektronika) podrazumijeva zamjenu ili poboljšanje organa i drugih dijelova tijela mehaničkim verzijama koje funkcioniraju kao živi organizmi ili njihovi dijelovi. Unatoč amputaciji uda ili djelomičnom oštećenju tijela, mozak i živčani sustav koji su njime upravljali i dalje funkcioniraju, a iskorištavanjem te činjenice unesrećenim pojedincima danas je također moguće ponuditi visoko-tehnološka rješenja u obliku bioničkih implantata koji, za razliku od proteza, teže što preciznijem oponašanju izvornih tjelesnih funkcija, ne zaustavljajući se nužno samo na tome, već stremeći i nadmašivanju istih. Upravo tu nastupa Touch Bionics. [2]
2. TOUCH BIONICS
Škotska tvrtka Touch Bionics je jedan od vodećih proizvođača inteligentnih (robotskih) proteza gornjih ekstremiteta. Priča o njenom postanku započinje sredinom 80-ih godina prošlog stoljeća kada se čovjek imenom David Gow (Slika 2.1.) pridružuje Centru za bioinženjering pri bolnici „Princess Margaret Rose“ u Edinburgu na poziciju R&D (engl. Research & Development) inženjera te započinje rad na projektima elektroničkih ruku. [3]
U nešto manje od deset godina predanog rada javljaju se prvi rezultati, a međunarodna javnost ga upoznaje 1998. g. kada je svijetu po prvi put prezentirano električno rame. S početkom novog milenija, Gow prima znatna start-up financijska sredstva te osniva privatnu spin-off tvrtku Touch EMAS (Edinburgh Modular Arm System) izdvajanjem iz britanskog Nacionalnog zdravstvenog sustava (NHS), koja će za samo par godina biti preimenovana u Touch Bionics kako bi „komunicirala dinamičnost tvrtkinih proizvoda i buduću usredotočenost na protetske tehnologije“. [4]
2007. godina obilježena je predstavljanjem revolucionarnog izuma nazvanog i-limb™ i čini svojevrsni miljokaz za Touch Bionics nakon čega tvrtka biva višestruko nagrađivana, pa joj tako 2010. g. pripada nagrada kraljevske obitelji za poduzetništvo iz područja tehnoloških inovacija, dok je renomirani magazin TIME i-limb svrstao u top 50 najboljih inovacija u 2008. godini. [5]
3. i-limb™
i-limb™ je 2007. g. u Vancouveru predstavljen kao prva komercijalno dostupna bionička ruka na svijetu koju karakterizira modularna izrada i decentralizirani pogonski sustav. Umjesto konvencijalnog pristupa s jednim središnjim motornim pogonom, Gow je iznjedrio ideju o individualnom pokretanju prstiju DC motorima koji tvore samodostatne i neovisne module. Tako pokretani prsti s pokretnim zglobovima u kombinaciji s rotacijom palca i zapešća ciljaju što boljem oponašanju ljudske ruke nudeći široki raspon pokreta i zahvata. Pogonski sustav napajaju dvije litij-ionske baterije kapaciteta 1,300 ili 2,000 mAh i u prosjeku su dostatne za cijeli dan korištenja, nakon čega njihovo punjenje traje približno 90 ili 180 min, respektivno. Ugrađeni „stall detection“ sustav raspoznaje trenutak kada je svaki prst postigao dovoljnu jačinu stiska zaustavljajući rad motora te tako sprječavajući daljnju potrošnju energije čime se direktno pridonosi produljenju trajanja baterije. Prethodno navedene značajke su sve ono što i-limb razlikuje od dotadašnjih rješenja u području umjetnih udova i protetike i samim time iz čega proizlazi revolucionarnost izuma.
i-limb je prikladan za osobe s urođenim defektima udova i amputacijom na zapešću ili podlaktici, uz preduvjet da ne boluju od neuromuskularnih bolesti i nemaju kognitivnih oštećenja jer se primarno upravljanje odvija mišičnim impulsima, odnosno EMG signalima. Gow tvrdi kako diljem svijeta postoji preko 5,000 korisnika, a procjenjuje se da globalno ima oko 2 milijuna ljudi s amputacijom gornjih ekstremiteta kojima bi i-limb mogao pomoći i podići razinu kvalitete života. Cijena uređaja s dodatnim troškovima ugradnje i stručnog osposobljavanja za njegovo korištenje kreće se u rasponu od 38,000 do 120,000 USD što znatno ograničava dostupnost svakome s prosječnim primanjima, ali tu negativnu stranu moguće je ublažiti nekim oblikom financiranja iz gomile (engl. crowfunding) ili pak sponzorstvom za što pojedini primjeri već i postoje.
3.1. i-limb™ inačice
Evolucija je i-limb dovela do nekoliko inačica zvučnih imena, (Ultra, Revolution, Quantum, Digits) svaka s određenim poboljšanjima i prilagodbama. Osim EMG signalima, Touch Bionics je upravljanje omogućio korištenjem "my i-limb" mobilne aplikacije za iOS uređaje ili preko "grip chips™" programibilnih čipova, koristeći Bluetooth® tehnologiju. Touch Bionics ističe i-limb™ Ultra (Slika 3.1.) kao njihovu najpopularniju inačicu koja pruža manualnu rotaciju palca i dodatne metode upravljanja preko grip chips™ ili mobilne aplikacije s brzim pristupom preprogramiranim zahvatima.
Slika 3.1. Prednji i stražnji prikaz i-limb™ Ultra inačice
i-limb™ Revolution je poboljšica Ultra inačice koja uz sve mogućnosti svoje prethodne verzije omogućuje motoriziranu rotaciju palca i zapešća te podešavanje jačine zahvata svakog prsta, a dodatno nudi korištenje većeg broja preprogramiranih zahvata putem mobilne aplikacije.
Najrecentnija i najsofisticiranija verzija dolazi pod nazivom i-limb™ Quantum (Slika 3.2.) i evolucijski je nastavak i-limb™ Revolution inačice. Odlikuje se još jednim inovacijskim rješenjem po pitanju metode upravljanja uređajem, tzv. i-mo™ tehnologijom koja korisnicima omogućuje aktivaciju željenog zahvata pomicanjem umjetnog uda u jednom od četiri moguća smjera (analogno kompasu i stranama svijeta), pritom implementirajući inovativni sustav brzina kojima se ostvaruje brži odziv prstiju i do 30% (< 1 s) te do 50% dulje trajanje baterije. Quantum verzija je dostupna u 3 veličine, tj. dodana je i S (small) veličina za pacijente manje tjelesne građe, što prije nije bilo u ponudi.
Slika 3.2. Prikaz i-limb™ Quantum inačice u 3 veličine
Touch Bionics je 2009. g. lansirao i-limb™ digits (Slika 3.4.), rješenje namijenio osobama s djelomičnom ili potpunom amputacijom šake. Osobe bez jednog do pet prstiju time su napokon dobile električno napajani protetski uređaj. Budući da je i-limb™ digits vrlo individualizirani uređaj, nužna je izrada po mjeri (engl. custom-made) gdje se u obzir uzimaju svi specifični parametri koji opisuju oštećenja šake pojedine osobe.
Slika 3.3. Prikaz i-limb™ digits inačice prikladne za potpunu amputaciju šake
Prisutna je većina značajki sadržanih i kod ostalih i-limb inačica kao što su rotacija palca, programibilnost zahvata i gesta, mada je realizacija upravljanja, osim elektrodama (Slika 3.4), moguća i otpornicima osjetljivim na pritisak (engl. Force Sensing Resistors - FSR) koji se u obliku jastučića nalaze unutar uređaja i u stanju su bilježiti pokrete batrljka ruke. Dvije Li-ion baterije (800mAh, 3.7V) smještene su u sklopu manžete koja se veže oko ruke iznad zapešća, dok je manžeta s ostatkom uređaja ožičena unutar fleksibilnog kućišta. [6]
Slika 3.4. Prikaz elektrode i FSR otpornika osjetljivog na pritisak [6]
Kao što je i uobičajeno kod linije komercijalnih proizvoda dostupan je izbor dodataka i nadogradnji, tako Touch Bionics u svojoj ponudi trenutno ima sustav savijanja zapešća (engl. flexion wrist) kojim se omogućavaju veći stupnjevi slobode pokreta umjetnim udom. Funkcionirajući na principu magneta, zglob je moguće fiksirati pod kutovima od 0°, +/- 20°, +/-40° što se može pokazati korisnim kod niz delikatnih zadataka, primjerice pisanja i/ili tipkanja, upravljanja manjim objektima i ostalim radnjama koje iziskuju preciznost.
Slika 3.5. Prikaz stupnjeva slobode koristeći sustav savijanja zapešća (flexion wrist)
Silikonske navlake (Slika 3.6.) predstavljaju još jedan dodatak koji u obliku rukavice mogu prekriti robotski skelet umjetnog uda. Iako neki korisnici možda preferiraju robotski izgled i-limba, silikonske rukavice ipak mogu pronaći svoju funkcionalnost kao zaštita od prašine, ali i vode, primjerice prilikom izlaganja kiši. Boje materijala navlaka dolaze u standardnoj crnoj i bijeloj varijanti, ali za one koji teže što realističnijem izgledu ponuđeno je osamnaest nijansi boje ljudske kože koje je individualno prilagođenim i ručnim bojanjem te dodavanjem ostalih karakteristika, (dlakavost, pjegavost, tetovaže) izgledom moguće dovesti do razine savršenosti da ih je teško razlikovati od pravog uda. Vrhovi prstiju mogu biti obloženi posebnim materijalima koji poboljšavaju trenje, što je od iznimne koristi prilikom korištenja touch screen uređaja. [7]
Slika 3.6. Prikaz silikonskih navlaka za i-limb uređaje
3.2. Princip rada
Kao što je već navedeno, primarna metoda upravljanja i-limb umjetnim udom ostvaruje se EMG signalima. Prilikom kontrakcije mišića ruke generiraju se električni signali koji predstavljaju tzv. okidače (engl. triggers). Električni impulsi prikupljaju se preko kože dvjema elektrodama postavljenim na optimalne pozicije batrljka ruke te se isti zatim prosljeđuju mikroprocesoru koji će ovisno o kombinaciji primljenih mišićnih signala dalje upravljati DC motorima i ostvarivati željene funkcionalnosti kao što su aktivacija neke vrste zahvata (engl. grip), jačina pritiska itd. Bitno je napomenuti kako je cijela procedura ugradnje i upravljanja umjetnim udom potpuno neinvazivna i u principu bezbolna. Dodatni tečajevi obuke korisnika i-limb uređaja postoje kako bi ih se podučilo učinkovitom upravljanju vlastitim umjetnim udom. Vrijeme prilagodbe može potrajati i do nekoliko mjeseci dok korisnici ne izvješte okidanje mišićnih signala kojima se aktiviraju različiti zahvati šake. Slika 3.7. shematski prikazuje princip rada i-limb umjetnog uda. [8]
Slika 3.7. Princip rada i-limb™ umjetnog uda
3.3. Okidači i zahvati
i-limb™ raspoznaje do četiri različita mišićna okidača:
- hold open - koristi open signal određeni vremenski period (2 - 3 sekundi)
- double impulse - koristi 2 brza open signala kada je šaka potpuno ispružena
- triple impulse - koristi 3 brza open signala kada je šaka potpuno ispružena
- co-contraction - open i close signal aktivirani u isto vrijeme
Iz prethodno navedenih okidača vidljivo je da se isti ostvaruju kombinacijom dva osnovna, open i close signala (mišićni signali za otvaranje i zatvaranje šake), što je usporedivo sa stanjima binarnog sustava. Svakom okidaču može se dodijeliti određeni zahvat šake. Mogu se izdvojiti četiri glavna zahvata (Slika 3.8.) s jednom dodatnom pozicijom šake:
- zahvat za preciznost - uzimanje manjih objekata između palca i kažiprsta
- tripod zahvat - palac se spaja s kažiprstom i srednjim prstom
- lateralni zahvat - svi prsti osim palca stisnuti i isključeni
- ispruženi kažiprst - svi prsti osim kažiprsta stisnuti i isključeni
- “thumb park” - palac pokretan, svi ostali prsti ispruženi i isključeni
Svaki od glavna četiri zahvata ima 4 različite varijacije koje su prilagođene određenoj primjeni u svakodnevnom životu korisnika. Primjerice, zahvati za preciznost koji se odvijaju spajanjem palca i kažiprsta između ostalog mogu omogućiti dohvaćanje ključeva te, uz motoriziranu rotaciju zapešća s lakoćom otključati i/ili zaključati bravu na vratima. Korištenje lateralnog zahvata najčešće je kod čvršćeg pridržavanja objekata kao npr. šalice, boce ili za podizanje i nošenje težeg tereta s ručkama (vrećice, torbe i sl.), dok je ispruženi palac, osim za očitu primjenu pokazivanja, idealan za korištenje tipkovnice, paljenje i/ili gašenje strujnih prekidača te sličnih primjena gdje je potreban dodir jednim prstom. „Thumb park“ pozicija šake je korisna kod oblačenja i/ili svlačenja odjeće jer su prsti ispruženi i palac se može saviti kako pritom ne bi smetao. [8]
Slika 3.8. Četiri glavni zahvata s jednom dodatnom pozicijom šake
3.4. Metode upravljanja
Touch Bionics je s vremenom diversificirao metode upravljanja, tako da osim standardnog upravljanja EMG signalima, koje u početku korisniku može zadavati poteškoće zbog manjka iskustva u upravljanju mišićnim refleksima, omogućeno je upravljanje putem mobilne aplikacije „my i-limb“ koja je dostupna za iOS i Android uređaje. Aplikacija nudi brzi pristup različitim uzorcima zahvata, tzv. quick grips™ (Slika 3.10.), točnije njih 24 s dodatnom mogućnošću programiranja do 12 proizvoljnih zahvata. Upravljanje je intuitivno, za aktivaciju je potrebno samo izvršiti odabir i pritiskom na ikonu željenog zahvata, mobilni uređaj će Bluetooth-om komunicirati s i-limb udom i trenutno izvršiti naredbu. Kratka demonstracija spomenute značajke vidljiva je ovdje. [8]
Dodatno, „my i-limb“ mobilna aplikacija omogućava korisniku programiranje tzv. grip chips™ programibilnih čipova (Slika 3.9.) za upravljanje iz neposredne blizine (engl. proximity control). Nakon dodjeljivanja određenih zahvata pojedinom čipu, isti se postavljaju na mjesta gdje je željeni zahvat potreban, a za aktivaciju zahvata potrebno je samo i-limb približiti čipu na udaljenost od otprilike 15 cm. Primjerice, jedan čip s programiranim zahvatom „ispruženi kažiprst“ može biti postavljen pokraj tipkovnice računala, dok se drugi može nalaziti u kuhinji za lateralni zahvat prilikom uzimanja tanjura sa stola. Komunikacija između i-limb uda i čipova se također odvija putem Bluetooth tehnologije. Video demonstracija navedenog može se pogledati ovdje. [8]
Slika 3.9. Prikaz grip chips™ programibilnog čipa [8]
i-mo™ inteligentno upravljanje gestama (Slika 3.10.) je još jedna inovacija koju Touch Bionics integrirao u svoju najnoviju verziju i-limba. Korištenjem senzora pokreta kao što su akcelerometar i žiroskop omogućena je aktivacija i promjena zahvata jednostavnim gestama koje se manifestiraju pomicanjem umjetnog uda u jednom od četiri moguća smjera (naprijed, nazad, lijevo, desno). i-limb™ quantum dolazi preprogramiran s najpraktičnijim zahvatima (naprijed – ispruženi kažiprst, nazad – varijacija zahvata za preciznost, lijevo – varijacija tripod zahvata, desno – lateralni zahvat), koje je naknadno moguće s lakoćom izmijeniti. Demonstracija upravljanjem gestama koristeći i-limb quantum prikazana je ovdje. (0:00-0:45min) [8]
3.10. Prikaz i-mo™ i quick grips™ izbornika unutar my i-limb mobilne aplikacije [8]
4. ZAKLJUČAK
Prisutnost proteza seže do antičkih vremena. Među pronađenim artefaktima iz drevnog Egipta su i dva drvena nožna palca koje znanstvenici smatraju najstarijim svjetskim primjerom protezi. [9]
Protetika se tijekom povijesti nastavila razvijati i, mada je prvenstveno predstavljala estetski nadomjestak, a montiranje bilo uglavnom kruto, za protetiku današnjice može se kazati, ne samo da izgleda sasvim drugačije zahvaljujući napretku znanosti o materijalima i elektronici, već da nudi visoko-tehnološka rješenja čiji osnovni cilj nije zadovoljiti se samo repliciranjem ljudskih udova, nego nastojati čak i nadmašiti ljudske sposobnosti. Jedan od vodećih predstavnika takvih high-tech rješenja je Touch Bionics sa svojim revolucionarnim milenijskim izumom i-limb koji nudi široki raspon značajki i inovacija u načinu upravljanja.
Velika većina ljudi koji se mogu pohvaliti dobrim zdravljem vjerojatno rijetko promišlja o tome koliko su ljudske ruke zapravo kompleksan sustav, ali i koristan alat. i-limb je pozitivno transformirao tisuće života ljudima koji su uskraćeni za taj vitalni dio tijela, bilo rođenjem ili stradanjem u nesreći.
LITERATURA
[1] Wikipedia, „Prosthesis“, https://en.wikipedia.org/wiki/Prosthesis
[2] Wikipedia, „Bionics“, https://en.wikipedia.org/wiki/Bionics
[3] Wikipedia, „TouchBionics“, https://en.wikipedia.org/wiki/TouchBionics
[4] Touch Bionics, http://www.touchbionics.com/
[5] Wikipedia, „I-LIMB_Hand“, https://en.wikipedia.org/wiki/I-LIMB_Hand
[6] „i-limb™ digits product sheet“, http://www.touchbionics.com/sites/default/files/i-limb_digits_product_sheet.pdf
[7] Touch Bionics „i-limb accessories“, http://www.touchbionics.com/products/i-limb-accessories
[8] Touch Bionics, „How i-limb works“, http://www.touchbionics.com/products/how-i-limb-works
[9] Garber, M.; „The Perfect, 3,000-Year-Old Toe: A Brief History of Prosthetic Limbs“, The Atlantic, 21. studenog 2013., http://www.theatlantic.com/technology/archive/2013/11/the-perfect-3-000-year-old-toe-a-brief-history-of-prosthetic-limbs/281653/
Ferhad Tuco