Robot na usluzi

Na Institutu za fizikalnu terapiju i rehabilitaciju „Dr Miroslav Zotović“ u Beogradu ima 70 ležajeva za nepokretne pacijente sa teškim oštećenjima nervnog sistema. Tokom specifične funkcionalne terapije pacijenti naporno vežbaju, priključeni na razne električne uređaje, čak i kad se čini da nema nikakve nade. I tako, na ovom mestu se nekada dogodi čudo.

„Zdrave osobe ne shvataju koliko je, za nekog ko ima tu nesreću da bude teško psihomotorno oštećen, velik napredak kad prevaziđe samo jedan aspekt nemoći“, kaže za „Vreme“ profesor doktor Laslo Švirtlih i dodaje da „svaki mali pomak za pacijenta uveliko poboljšava kvalitet života“. Zajedno sa višečlanim timom koji uključuje lekare, fizioterapeute, kliničke psihologe i inženjere, doktor Švirtlih vodi rehabilitaciju u kojoj se tokom treninga mišići pacijenta elektrodama stimulišu da načine pokret.

Ovaj oblik terapije oslanja se na dugu tradiciju primene modularnih robotskih nogu, egzoskeleta i aktivnih ortopedskih pomagala koja postoji na institutu „Dr Miroslav Zotović“. Pre skoro 30 godina, robotičar Dejan B. Popović i doktor Švirtlih su ovde napravili prvi hibridni sistem koji je spojio robotsko ortopedsko pomagalo sa funkcionalnom električnom stimulacijom.

Tokom druge polovine XX veka, razvoj egzoskeleta je tekao u dva pravca – s jedne strane ka stvaranju robotskih sistema koji bi uvećali sposobnosti, snagu i brzinu kretanja zdravih osoba, što je – ne sa velikim uspehom – razvijano pre svega za vojne svrhe, dok su paralelno sa ovim tekla znatno uspešnija istraživanja raznih aktivnih ortopedskih pomagala i drugih tehnologija koje mogu da pomognu osobama sa invaliditetom.

BEOGRADSKA ŠKOLA: „Uz pominjanja u ranim patentima i naučnoj fantastici, istraživanja aktivnih ljudskih egzoskeleta započeta su šezdesetih godina, gotovo paralelno u nekoliko istraživačkih grupa u SAD i u bivšoj Jugoslaviji“, smatraju američki robotičari Aaron M. Dollar i Hugh Herr. Oni su pre tri meseca u specijalnom izdanju časopisa „Transactions on Robotics“, koji izdaje vodeća svetska inženjerska organizacija IEEE, objavili pregledan rad o izazovima i stanju stvari u istraživanjima egzoskeleta za donje ekstremitete i aktivnih ortoza: „Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges and State of the Art„.

Dajući detaljan i sveobuhvatan pregled razvoja egzoskeleta, Dollar i Herr su posebno istakli izuzetan, pionirski doprinos beogradske škole robotike koja je pokrenula čitavu oblast istraživanja modularnih aktivnih ortopedskih pomagala i doprinela potonjoj rehabilitaciji hiljada pacijenata.

Tokom šezdesetih i sedamdesetih godina na Institutu „Mihajlo Pupin“ doktor Miomir Vukobratović i njegovi saradnici su nizom pionirskih radova stvorili beogradsku školu robotike, isprva izučavajući kinematiku ljudskog hoda, a zatim razvijajući i prve robotske egzoskelete, o čemu je „Vreme“ pisalo u broju 813, u tekstu „Nulta tačka srpskog androida“. Vukobratović je sa saradnicima za nepokretne pacijente razvio „kompletan“ egzoskelet, napravljen od krutog materijala i nekoliko motora, sa ukupnom masom oko 12 kilograma.

S druge strane, na Univerzitetu u Beogradu i na Institutu „Dr Miroslav Zotović“ paralelno su počela istraživanja modularnih pomagala za donje ekstremitete, koja su zamenjivala samo delove nogu i sa telom pacijenta bila spojena mekom vezom. Ova istraživanja pokrenuo je poznati robotičar Rajko Tomović (1919–2001), za koga doktor Švirtlih kaže da je „Da Vinči našeg doba“, objašnjavajući da su njegovi koncepti i ideje predvideli i pokrenuli razvoj čitavih oblasti istraživanja.

Zajedno sa tadašnjim Tomovićevim asistentom Dejanom B. Popovićem, koji sada radi u Centru za senzornu motornu interakciju na Univerzitetu Aalborg u Danskoj, Švirtlih je 1978. godine započeo rad na prvom hibridu u svetu koji je spojio stimulaciju mišića pacijenta i modularni egzoskelet. Ovaj hibrid je predstavljen na seminaru u Dubrovniku 1981, da bi tokom narednih godina podstakao dalji razvoj.

„Rehabilitacija se kod nas intenzivno razvijala zato što smo pripadali pobedničkoj strani u Drugom svetskom ratu“, smatra Švirtlih i dodaje da je rat bio okidač za ovu vrstu istraživanja. Ona su prošla kroz više faza, ali su, nažalost, sa dolaskom devedestih gotovo zamrla zbog nedostatka novca, a brojni robotičari i drugi specijalisti beogradske škole napustili su zemlju. No, ne može se reći da je taj pokret nestao – danas nekadašnji pioniri robotike svoje znanje koriste pre svega da pomognu u kliničkoj praksi, što je inače, u celom svetu, dominantan trend.

POVRATNA SPREGA: Kod primene egzoskeleta, najozbiljniji je problem kontrole rada. Mozak zdrave osobe među milionima čulnih nadražaja koji dolaze spolja bira onaj na koji treba odgovoriti i putem nervnog sistema mišićima izdaje „naredbu“ da reaguju. Potom, mozak prati tok izvršenja ove naredbe i unosi „korekcije“. Ovaj fini, nesvesni mehanizam povratne sprege je teško uspešno veštački modelirati čak i sa najmoćnijim računarima, tako da veštačka noga nikad ne može da zameni pravu.

Rani robotičarski pristup u razvoju ovih egzoskeleta ili, kako se konkretno zovu, aktivnih ortoza, suočavao se sa više problema – aktivna pomagala su zahtevala teško spoljnje napajanje, bila su suviše kruta, robusna i nisu bila pod potpunom kontrolom pacijenta. Inače, svaki pacijent pri upotrebi ovakvog pomagala zahteva individualni pristup, što znatno poskupljuje proizvodnju i primenu pomagala, čineći ga nedostupnim. Zbog toga se vrlo malo egzoskeleta danas približilo komercijalizaciji i može se smatrati trajnim pomagalom koje pacijent koristi – u takvoj širokoj, nelaboratorijskoj upotrebi je samo ortopedsko pomagalo koje stimuliše podizanje stopala.

Međutim, sve druge sprave ove vrste doživele su renesansu kad su počele da se primenjuju u terapijske svrhe. Sa razvojem neurofizilogije, aktivne ortoze sve više se koriste za stimulaciju mišića.

Osnovna ideja je da se pomoću njih premosti to što mozak ne može izdavati naredbe mišićima nogu i da se oni na taj način pokrenu. Kad se to učini, mozak zainteresovano „posmatra“ šta se događa i uči da sam ponovi izvedene radnje. Ovim automatizmom mozak može da ovlada čak i kad postoji poptun prekid nerava.

IMPLANTI I ELEKTRODE: Funkcionalnom terapijom koja se sprovodi na institutu „Dr Miroslav Zotović“ lekari „diriguju i usmeravaju oporavak“. I ponekad je moguće da mozak uvežba šemu kojom se u noge vraća pokret. „Sposobnost centralnog nervnog sistema da se menja je fascinantna. Zbog toga su, uostalom, ljudi i postali gospodari planete“, kaže Švirtlih, dodajući da i zdrava osoba tokom života stalno menja i razvija svoje psihomotorne aktivnosti.

Smatra se da kod čoveka postoje četiri osnovne psihomotorne funkcije – kod ruku je to pružanje i hvatanje, a kod nogu je to stajanje i hodanje. Ovladavanje bilo kojom od ovih funkcija zahteva izuzetno naporne treninge, koji se obično sprovode u prvoj godini posle nesreće koja je dovela do nepokretnosti, što se smatra vremenskim „prozorom za oporavak“.

Takvi treninzi su izuzetno bitni bez obzira na to što mnogi pacijenti ne uspeju da prohodaju. Svaki, i najmanji pomak pacijentu može da poboljša kvalitet života. S druge strane, treninzi ove vrste su važni za ostatak organizma – stimulisano stajanje i hodanje omogućuju normalan rad metaboličkih funkcija, a smanjuje se i atrofiranje mišića do kog dolazi usled neaktivnosti.

Postoje dva načina za stimulaciju – jedan je da se pacijentu ugrade implanti, a drugi, koji se koristi kod nas, jeste da se na njega postave površinske elektrode. One se postavljaju na mišiće i spojene su sa centralnim simulatorom koji sekvencira ljudski hod ili neku drugu aktivnost. „Tako pacijent ne vežba mišiće, on vežba svoj mozak“, zaključuje Švirtlih.

VREMENSKI PROZOR: U Srbiji više od 7000 ljudi u toku jedne godine doživi moždani udar, a jednoj trećini je posle ove nesreće potreban neki oblik rehabilitacije. Zbog velikog broja pacijenata, ustanove poput instituta „Dr Miroslav Zotović“ suočavaju se sa organizacionim problemima u regrutaciji pacijenata.

Uz to, veliki broj ranjenika iz ratova devedesetih je više godina bio smešten u ovoj ustanovi za rehabilitaciju. Međutim, to je dalo i jedan neočekivan rezultat – budući da su silom prilika već bili tu, oni su radili vežbe kao da su u prvom mesecu oporavka. Zbog tog, u svim zemljama krajnje neuobičajenog rešenja desilo da su neki pacijenti doživeli poboljšanja i posle pet ili deset godina. Kako kaže Švirtlih, to pokazuje da vremenski prozor oporavka ne zadaje biologija, nego – osiguravajuća društva.

U kliničkoj praksi postoje i drugi primeri kasnog oporavka, a događa se da pacijent ovlada pojedinim pokretom posle nekog velikog stresa u životu. Ceo koncept sa ovakvim uvežbavanjem mozga da otvori „kanal“ za novi pokret, zapravo, možda najbolje objašnjava brojne situacije isceljenja koje su obično tumačene kao natprirodni fenomen.

Najslavnije je, naravno, čudo iz Kapernauma. Kako u tri gotovo istovetne varijante pišu sinoptička jevanđelja, tu je do isceljenja oduzetoga došlo tek tako. Pred brojnom publikom, Isus je nepokretnoj osobi samo rekao „Tebi govorim: Ustani i uzmi odar svoj, i idi domu svome“ (Marko, 2, 11). Nepokretni čovek je potom zaista ustao i otišao, a da tome nije prethodila nikakva kibernetička terapija. Međutim, kad se malo razmisli o tragičnoj situaciji u kojoj se nalazi svaki nepokretni pacijent, ni terapija pomoću funkcionalne stimulacije nije ništa manje čudo od ovog biblijskog.

Aktivne ortoze

Egzoskelet je uvek neka vrsta robotskog odela. Kako u radu „Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges and State of the Art“ kažu robotičari Dollar i Herr, egzoskelet je „aktivni mehanički uređaj koji u suštini ima antropomorfnu prirodu“. Korisnik ga obično nosi na sebi, neposredno uz telo, a njegova namena je da poveća snagu i brzinu kretanja čoveka. Egzoskeleti koji se koriste da povećaju sposobnosti osoba sa invaliditetom nogu najčešće se zovu „aktivne ortoze“. U današnjoj kliničkoj praksi koriste se ortoze koje zamenjuju rad pojedinog mišića, a ne čitavih donjih ekstremiteta, pa ih zato nazivaju modularnim. Ova aktivna pomagala uglavnom se koriste u terapijske svrhe, pa Dr Laslo Švirtlih sa Instituta za fizikalnu terapiju i rehabilitaciju „Dr Miroslav Zotović“ kaže da ih je najpodesnije zvati privremenim pomagalima.

Robot kojim se upravlja mislima

Izuzetnu pažnju medija krajem prošlog meseca izazvalo je istraživanje sa rezus majmunom koji mislima navodi robotsku ruku da mu dodaje bananu, a koje je objavljeno u časopisu „Nature“. Istraživanje je vodio doktor Endrju Švarc sa saradnicima na Univerzitetu Pitsburg u SAD. Kako bi se utrenirao za ovu aktivnost, rezus majmunu je prvo u moždanu koru usađena mikroelektroda koja može da snima moždane aktivnosti. Zatim je životinja uvežbavana da pomoću džojstika navodi i pomera robotsku ruku kako bi uzela hranu. Tokom ovih pokušaja hvatanja hrane, elektroda je snimala moždane aktivnosti, a zatim je na osnovu ovog snimka napravljen softver koji prepoznaje različite aktivnosti mozga prilikom pokreta robotske ruke. Zahvaljujući ovom softveru, ruka je programirana da se pomera tako što prati aktivnosti u mozgu, odnosno tok misli majmuna. Tokom dva dana finalnog eksperimenta, poduhvat je bio uspešan u 67 odsto od skoro 300 pokušaja. Naučnici smatraju da majmun tokom eksperimenta robotsku ruku doživljava kao deo svog tela i da ovo istraživanje u budućnosti može znatno pomoći osobama sa invaliditetom.

Vojnici roboti

Egzoskeleti koji bi uvećavali učinak pri normalnom ljudskom kretanju i radu razvijali su se mnogo slabije od aktivnih privremenih pomagala za osobe sa invaliditetom. Većina rešenja ovakvih egzoskeleta nikad nije napustila crtaću tablu, niti je realizovana u stvarnosti, mada su pokrenuta razna istraživanja ovakvih uređaja, pre svega u SAD i to za vojnu upotrebu. Najpoznatiji takvi projekti su „Hardiman“, koji je šezdesetih godina razvio Dženeral elektrik uz podršku Univerziteta Kornel i američke mornarice, kao i DARPA program, koji je pokrenut osamdesetih godina na osnovu ideje Džefrija Mura o stvaranju takozvanog „Pitmana“ i koji se razvija sve do danas na nekoliko američkih univerziteta.

Biomehanika ljudskog hoda

Ljudska noga se najčešće modelira kao sistem sa sedam stepeni slobode. Tri rotaciona stepena nalaze se u kuku, jedan u kolenu i tri u zglobu stopala. U svakom ciklusu ljudskog koraka (kao na slici – period traje od jednog dodira pete desne noge sa tlom do drugog dodira iste noge) smešteno je nekoliko sekvenci. Tokom hoda, noga vrši pozitivan, ali i negativan rad, a pri normalnoj brzini čoveka teškog 80 kg od 1,27 m/s, ukupan zbir pozitivne i negativne snage na kuku, kolenu i zglobu stopala je približan nuli. To znači da svi uređaji koji oponašaju ljudsko kretanje moraju da dodaju energiju na kuku, rasipaju je na kolenu, a na članku je skladište i oslobađaju.