Lekka jak zwykła proteza, sprawna jak bioniczna. Polacy projektują dłoń dla dzieci

Nowoczesna proteza dłoni może mieć zaawansowaną elektronikę, silniki i mechanizmy umożliwiające wykonywanie wielu ruchów. Jednak w przypadku dzieci równie ważne jak jej funkcjonalność są masa i wygoda użytkowania. Nawet najlepsza technologia niewiele pomoże, jeśli proteza będzie zbyt ciężka, aby korzystać z niej przez większą część dnia. Na ten problem chcą odpowiedzieć naukowcy z Politechniki Warszawskiej. Zespół kierowany naukowo przez mgr. inż. Jana Tracza pracuje nad bioniczną dłonią, która ma łączyć niewielką masę prostych protez pasywnych z możliwościami aktywnych urządzeń.

Projekt otrzymał wsparcie programu PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Naukowcy chcą stworzyć nie tylko sprawnie działającą konstrukcję, lecz przede wszystkim rozwiązanie odpowiadające na rzeczywiste potrzeby dzieci.

Dlaczego ciężar protezy ma tak duże znaczenie?

U dzieci brak dłoni lub części kończyny górnej często jest związany z wadą wrodzoną. W przeciwieństwie do osób, które utraciły kończynę w wyniku urazu lub choroby, dziecko z wadą wrodzoną od początku uczy się wykonywać codzienne czynności w odmienny sposób. Może częściej wykorzystywać jedną stronę ciała albo rozwijać ruchy kompensacyjne, które pomagają mu radzić sobie z określonymi zadaniami. W niektórych przypadkach mogą one prowadzić do niekorzystnych przeciążeń układu mięśniowo-szkieletowego.

Odpowiednio dobrana proteza, wraz z rehabilitacją i treningiem funkcjonalnym, może ułatwiać wykonywanie czynności wymagających współpracy obu kończyn. Nie oznacza to jednak, że każdy mały pacjent powinien otrzymać protezę w tym samym wieku. Decyzja zależy od rodzaju wady lub amputacji, rozwoju dziecka i jego indywidualnych potrzeb.

Problemem jest wybór odpowiedniego urządzenia. Proste protezy pasywne są zazwyczaj stosunkowo lekkie i mogą pomagać w podpieraniu lub stabilizowaniu przedmiotów, ale nie zapewniają aktywnego chwytu. Zaawansowane protezy bioniczne oferują większe możliwości ruchowe, jednak dodatkowe mechanizmy zwiększają ich masę, złożoność i koszt.

– Chcemy połączyć dwie rzeczy, które dzisiaj trudno znaleźć w jednym urządzeniu: niewielką masę protezy pasywnej i funkcjonalność protezy bionicznej. W przypadku dziecka ciężar ma ogromne znaczenie. Nawet bardzo zaawansowana proteza niewiele pomoże, jeśli po kilku godzinach użytkownik będzie zbyt zmęczony, żeby z niej korzystać – mówi mgr inż. Jan Tracz, lider naukowy projektu.

Bioniczna dłoń nie musi robić wszystkiego. Ważne, żeby pomagała na co dzień

Jednym z najważniejszych wniosków z rozmów prowadzonych przez zespół było to, że proteza nie musi odtwarzać wszystkich możliwości naturalnej dłoni. W wielu codziennych sytuacjach wystarczy, że pomoże ustabilizować przedmiot, podczas gdy druga ręka wykonuje bardziej skomplikowaną czynność. Może na przykład przytrzymać butelkę podczas odkręcania zakrętki, pomóc w stabilizacji przedmiotu na stole czy ułatwić zadania wymagające użycia obu rąk.

– Na początku myślałem, że proteza powinna być po prostu drugą ręką. Dopiero rozmowy z ludźmi znającymi potrzeby użytkowników pokazały mi, że równie ważne jest dobre wykonywanie podstawowych zadań: przytrzymanie przedmiotu, pomoc przy odkręcaniu butelki czy ustabilizowanie czegoś podczas codziennych czynności. Produkt trzeba projektować pod realne potrzeby, a nie wyłącznie pod to, co technicznie jesteśmy w stanie zrobić – podkreśla Jan Tracz.

Właśnie dlatego naukowcy koncentrują się na konstrukcji, która ma zapewniać funkcjonalność przy możliwie niewielkiej masie.

Jednym z kluczowych rozwiązań projektowanej protezy ma być ruchomy, przeciwstawny kciuk. Możliwość ustawienia go naprzeciw pozostałych palców jest istotna dla wykonywania różnych rodzajów chwytu – od obejmowania większych przedmiotów po manipulowanie mniejszymi rzeczami.

Drugim elementem jest napęd przypominający działanie mięśnia. Zamiast klasycznego układu z silnikiem i przekładniami konstruktorzy chcą wykorzystać lekki mechanizm, który pod wpływem bodźca kurczy się podobnie jak ludzki mięsień. Ma to umożliwić aktywny ruch przy ograniczeniu masy urządzenia. Na obecnym etapie są to jednak założenia projektowe. Ich skuteczność i przydatność w codziennym użytkowaniu wymagają jeszcze sprawdzenia.

Pierwsza proteza bioniczna jak pierwszy rower. Ma uczyć dziecko sterowania

Projektowana dłoń ma być nie tylko narzędziem pomagającym w codziennych czynnościach, ale również urządzeniem, dzięki któremu dziecko będzie mogło uczyć się świadomego sterowania aktywną protezą. To ważne, ponieważ bardziej zaawansowane konstrukcje, wykorzystujące sygnały pochodzące z mięśni, wymagają nauki odpowiedniego uruchamiania ruchów.

Jan Tracz porównuje ten proces do nauki jazdy na rowerze.

– Chcielibyśmy, żeby ta proteza była trochę jak pierwszy rower, na którym dziecko uczy się jeździć. Nie musi od razu oferować wszystkich możliwości najbardziej zaawansowanych urządzeń dla dorosłych. Powinna natomiast pozwolić nauczyć się sterowania i korzystania z bionicznej dłoni tak, aby w przyszłości przejście do bardziej złożonego rozwiązania było naturalne, jak do zwinnego roweru z mocnym przyspieszeniem i ostrymi hamulcami – tłumaczy naukowiec.

Założeniem projektu jest więc stworzenie protezy, która będzie dostosowana do potrzeb i możliwości dziecka, a jednocześnie pozwoli mu stopniowo zdobywać umiejętności przydatne podczas korzystania z bardziej zaawansowanych urządzeń.

Koszt ma znaczenie. Zespół chce zwiększyć dostępność nowoczesnej protetyki

Kolejnym wyzwaniem jest cena. Zaawansowane protezy bioniczne należą do kosztownych wyrobów medycznych. W przypadku dzieci dodatkowym problemem jest konieczność dopasowywania lub wymiany elementów urządzenia wraz ze wzrostem użytkownika. Dlatego naukowcy chcą opracować konstrukcję, która w przyszłości mogłaby być dostępna również w ramach systemów refundacyjnych.

Nad projektem pracują także mgr inż. Damian Szubski, lider biznesowy, oraz dr inż. Witold Rządkowski, opiekun transferu technologii. Ich zadaniem jest między innymi konfrontowanie założeń technicznych z potrzebami użytkowników, analiza możliwości rynkowych oraz przygotowanie drogi do komercjalizacji.

– W laboratorium można opracować bardzo ciekawą technologię, ale to jeszcze nie znaczy, że powstanie z niej dobry produkt. Damian pomaga nam zrozumieć potrzeby rynku i osób zajmujących się protetyką, a Witold wnosi doświadczenie związane z transferem technologii i prowadzeniem przedsięwzięć. Dzięki temu możemy myśleć nie tylko o kolejnym etapie badań, ale również o tym, jak rzeczywiście doprowadzić rozwiązanie do użytkownika – mówi Jan Tracz.

Projekt jest rozwijany w ramach programu PRIME Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, finansowanego z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG). Program wspiera naukowców w przygotowywaniu innowacyjnych technologii do wdrożenia i komercjalizacji.

Kiedy bioniczna dłoń trafi do dzieci? Najważniejsze testy dopiero przed naukowcami

Kolejnym etapem prac ma być dopracowanie wymagań stawianych protezie oraz przeprowadzenie pilotażowych testów z udziałem użytkowników. Naukowcy chcą sprawdzić, czy urządzenie jest wygodne, czy jego masa nie utrudnia korzystania z niego oraz czy projektowane funkcje rzeczywiście pomagają w codziennych czynnościach.

– Możemy zaprojektować urządzenie, które z technicznego punktu widzenia działa bardzo dobrze. Ostateczna odpowiedź przyjdzie jednak dopiero wtedy, gdy sprawdzimy, czy dziecko potrafi się nim wygodnie posługiwać i czy rzeczywiście chce z niego korzystać. To jest dla nas najważniejszy test – podsumowuje Jan Tracz.