Technologie blízké budoucnosti (1): Robotické exoskelety, obleky a turbošortky

Kdo by si přál běhat v kraťasech, které váží pět kilogramů? A kdo by uvěřil, že v těchto obrněných šortkách vydrží běžet déle nebo urazí stejný úsek v kratším čase? Přesně to však umí zprostředkovat takzvaný exosuit z dílny amerických a jihokorejských vědců. Spolu s dalšími podobnými zařízeními by měl pomáhat nejen zdravým, ale i nemocným. 

Oblékněte se do robota

Roboti už dávno nejsou těžká neohrabaná monstra. Pokrok v technologiích, materiálech i softwaru dovoluje vyrábět měkké roboty schopné se přizpůsobit těm nejrůznorodějším podmínkám. Vyrábějí se dokonce i oděvní roboty (označované v odborné literatuře jako wearable robots), které se oblékají podobně jako kusy šatstva a pomáhají člověku zvládnout fyzicky namáhavé úkoly. To, co bylo donedávna doménou komiksů pochybné kvality, se mění ve skutečnost. 

Zařízení označovaná v odborné literatuře jako exosuits představují měkkou variantu podstatně robustnějších robotů, pro něž se vžil název exoskeleton. Oděvní roboty slibují pomoc pacientům po vážných úrazech a lidem s vrozenými defekty, ale také seniorům, kterým už činí pohyb vlastními silami potíže. Najdou však uplatnění i u zdravých lidí v produktivním věku, jimž může exosuit usnadnit fyzicky namáhavou práci. 

Nejnovější oblékací robot se na první pohled podobá šortkám z elastického materiálu. Od běžných běžeckých kraťasů se liší elektromotorkem s řídicí jednotkou, akumulátorem a kabely připevněnými k nohavicím. S výjimkou pohonné jednotky a akumulátoru jsou všechny jeho součásti vyrobeny z elastických materiálů. Váží sice pět kilo, ale ve srovnání s dřívějšími roboty sloužícími k podobným účelům je velmi lehký.

Další revoluční novinkou, kterou přináší, je možnost dvou různých režimů – chůze a běhu. Na vývoji těchto turbošortek pracovali američtí vědci z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvard University a z University of Nebraska v Omaze společně s kolegy ze soulské Chung-Ang University.

Jak rozběhat exosuit?

Motory pohonné jednotky nového exosuitu uvádějí do pohybu lanka připevněná k tkanině šortek. Tah kabelů pak napomáhá přirozenému pohybu kyčlí. Robot vlastně doprovází nohu v jejím obvyklém pohybu a přebírá část práce jejích svalů. Významně se tedy snižuje množství energie, kterou člověk při pohybu dolní končetiny vynakládá. Exosuity pomáhající lidem při pouhé chůzi sloužily už dříve. Byly z elastických materiálů a dovolovaly zcela hladký a přirozený pohyb. Při vývoji exosuitů, které by pomáhaly i při běhu, už ale vědci nebyli tak úspěšní.

Běh totiž vyžaduje pohyby kloubů a svalů, jež se od pohybů při chůzi dost zásadně liší. „Člověk sice nemá s přechodem z chůze k běhu a naopak nejmenší problém, ale v případě exosuitů to tak jednoduché není,“ vysvětlil v rozhovoru pro server Gizmodo biomechanik Philippe Malcolm, který řídil výzkumný tým na University of Nebraska. K tomu, aby exosuit podporoval chůzi i běh, je zapotřebí speciální systém. „My jsme pro tyto účely vyvinuli algoritmus, který detekuje, zda člověk jde, nebo běží. V závislosti na tom pak robot přepíná na příslušný silový profil, aby exosuit sloužil dokonale svým účelům,“ dodává Malcolm.

Šortky pro chůzi i běh

Prototyp prošel náročnými testy, v kterých ho prověřili zdraví dobrovolníci, a to v nejrůznějších podmínkách a režimech. Osvědčil se třeba při běhu na běžeckém pásu, ale i při běhu do vrchu. Vědci při tom měřili výdej energie a ten porovnávali s pohybem za stejných podmínek bez exosuitu. Výsledky publikované v předním vědeckém časopise Science nejsou nijak omračující, ale přesto působí přesvědčivě a ve výhledu slibují další výrazné zlepšení. 

„Zjistili jsme, že exosuit snižuje spotřebu energie při chůzi o 9 % a při běhu o 4 %,“ konstatoval Malcolm. U jiných zařízení, která pomáhají pouze při chůzi, nebo pouze při běhu, se podařilo dosáhnout výraznější úspory energie vynakládané chodcem nebo běžcem. „Ale v našem případě se i tak jedná o statisticky významné snížení. Navíc celý systém má rezervy, a lze proto očekávat další zvýšení jeho účinnosti,“ dodává. 

Technologie budoucnosti

S exosuitem se chodec či běžec cítí, jako kdyby mu v těžišti ubylo z tělesné hmotnosti 6 až 8 kilogramů. Vzhledem k tomu, že samotný exosuit váží 5 kilogramů, nejde o rozdíl nějak výrazný. Prototyp však nevyužil to nejlepší ani v použitých materiálech, ani v konstrukci jednotlivých částí. Vědci pracují na modelech exosuitu z lehkých kompozitů s výrazně miniaturizovanou pohonnou jednotkou. Ty by měly vážit jen 3 kilogramy. A ani to není konečná.

Velkou výhodou nového exosuitu je, že jeho zvládnutí neklade na uživatele nijak vysoké nároky. Vyžaduje sice určitý trénink, ale ten není nijak komplikovaný. Člověk při chůzi a běhu intuitivně využívá setrvačnosti pohybujících se částí těla, těží z pružnosti svalů i šlach. Pomocné pohyby exosuitu mohou někdy tento pasivní pohon utlumit, protože svou silou působí proti němu. Je proto důležité, aby člověk a exosuit našli společnou řeč a pracovali ve vzájemném souladu. 

Testů účinnosti se zúčastnili zdraví dobrovolníci, kteří už s exosuitem nějakou dobu trénovali. „Tito lidé potřebovali určitý čas k tomu, aby se systému přizpůsobili a naučili se těžit z jeho výhod,“ vysvětluje Phillipe Malcolm. „Nepotřebovali však pro zvládnutí exosuitu žádné speciální instrukce. Jednoduše se do zařízení oblékli a nějaký čas v něm chodili,“ doplňuje.

Od průmyslu po medicínské lůžko

Zatím máme jen rámcovou představu o tom, kde všude najdou exosuity uplatnění. Model se zabudovanou oporou zad by mohl například usnadnit přenášení těžkých břemen a snížit přitom riziko zranění. Lidem s postižením by pomáhal při rehabilitaci nebo by jim usnadňoval pohyb vlastními silami. Exosuit ale zatím neumožní chůzi ani běh ochrnutým lidem. Je to pouze jakýsi posilovač nohou. Sám o sobě není s to zajistit oporu ochrnutému tělu a uvádět do pohybu zcela bezvládné končetiny. Ukazuje se však jako skvělý pomocník lidí, kteří mají z nejrůznějších důvodů sice funkční, ale ochablé svaly. 

V létě roku 2019 začala bostonská společnost ReWalk Robotics prodávat měkký exosuitový systém určený pro rehabilitační kliniky. Při jeho výrobě využívá firma zkušenosti, které získala během spolupráce s harvardským týmem. Exosuit označovaný jako ReStore Exo-Suit byl v červnu 2019 schválen americkým Úřadem pro potraviny a léčiva jako fyzioterapeutická pomůcka pro lidi, kteří mají omezený pohyb dolních končetin v důsledku prodělané cévní mozkové příhody. ReStore Exo-Suit napomáhá pacientům s pohybem v kotnících, ale pracuje na stejném základním principu jako popisovaný chodecko-běžecký exosuit usnadňující pohyb kyčlí.

Pomoc ochrnutým lidem

Příchod exosuitů neznamená, že lidé dají sbohem exoskeletům. Ty jsou sice podstatně těžkopádnější než jejich lehké elastické alternativy, ale v některých ohledech zůstávají nenahraditelné. Jejich tuhá konstrukce, s kterou je člověk napevno spojený, skýtá tělu potřebnou oporu. Exoskelety proto dovolují pohyb i ochrnutým lidem. Experimentálně se už dokonce podařilo propojit ovladače exoskeletu s mozkem člověka.

Aktivita mozku je snímána z povrchu hlavy podobně, jako když se pořizuje záznam elektroencefalografu. Zachycené signály jsou výkonným počítačem dešifrovány a převedeny do povelů pro adekvátní akce exoskeletu. Ukázka toho, co takové exoskelety umějí, byla k vidění při slavnostním zahájení světového šampionátu v Brazílii v roce 2014. Slavnostní výkop tehdy provedl Juliano Pinto ochrnutý na dolní polovině těla. Pomohl mu k tomu experimentální exoskelet řízený myšlenkami.

TIP: Ochrnutý závodník pokořil rekord maratonu pro běžce s exoskeletem

Americká firma ReWalk vyrábí exoskelet, který usnadňuje chůzi paraplegikům odkázaným na vozík. Zařízení v ceně začínající na 70 000 dolarech (zhruba 1,5 milionu korun) umožní lidem ochrnutým na dolní polovině těla chůzi o berlích. Pacient ovládá exoskelet rukou. Podle potřeby si spouští předem naprogramovaný rytmus kroků. Chůze s exoskeletem není jednoduchá a vyžaduje trénink. Pro paraplegiky je náročná především koordinace pohybu s naprogramovanými pohyby exoskeletu a jednoduché není ani udržování rovnováhy. Chůze v exoskeletu však paraplegikům prospívá, protože vystavují svůj organismus mnohem přirozenější zátěži. Příznivě se to promítá například do stavu jejich oběhového systému.