Revoluční robotická protéza s raketovým pohonem

• | Tisk |

Podrobnosti

Vytvořeno 20. září 2007

Napsal Tereza Knířová

„Náš prototyp nemá nadlidskou sílu ani schopnosti, ale svou funkčností i silou se blíží lidské paži více než jakákoli jiná protetická náhrada v minulosti, která je poháněna vlastním pohonem a která má přibližně stejnou hmotnost jako lidská ruka,“ říká Michael Goldfarb, profesor mechanického strojírenství, který celý projekt vede.

Prototyp dokáže unést přibližně 9 až 11 kilogramů. To je třikrát až čtyřikrát více než ostatní komerčně prodávané umělé ruce a stejně tak je třikrát až čtyřikrát rychlejší. „To znamená, že má asi desetkrát větší sílu než ostatní mechanické ruce a to navzdory faktu, že ještě nebyla optimalizována její síla a pevnost.“ dodává Goldfarb.

Mechanická ruka se také mnohem přirozeněji pohybuje než předcházející modely. Konvenční protetické ruce mají pouze dva klouby: loket a zápěstí. V porovnáním s nimi má tento prototyp zápěstí, které se otáčí a ohýbá. Prsty se mohou také nezávisle na sobě ohýbat a natahovat.

Velkou inovací oproti ostatní protézám je pohon tohoto nového prototypu. Na rozdíl od ostatních není poháněn bateriemi. „Energie z baterií byla dostačující pro předchozí generaci protéz, protože jejich funkčnost byla tak omezená, že jich lidé moc nevyužívali,“ vysvětluje Goldfarb, „čím více má náhrada funkcí, tím více ji lidé využívají a tím více se spotřebuje energie.“ Zvětšení baterií je jediná cesta, jak dodat další energii současné konvenčně poháněné generaci protetických rukou. S velikostí se ale zvětšuje i váha baterií a to se stává překážkou k jejich použití.

                       Obr. 1 - Profesot Goldfarb testuje revoluční ruku

Byl to právě tento nevýhodný poměr energie a váhy u baterií, který přiměl Goldfarba hledat jinou alternativu zdroje energie. Rozhodl se zmenšit pohonnou jednotku do raketového systému, který se používá pro pohyb vesmírných raket po oběžné dráze.

Goldfarbův zdroj energie má velikost pera a obsahuje speciální katalyzátor, který způsobuje výbuch peroxidu vodíku. Když tato směs vybuchuje, vzniká čistá pára, která se využívá k otevírání a zavírání série ventilů. Ventily jsou spojeny s pružinovými klouby protézy pomocí pásků vyrobených ze speciálního monofilu, který se používá pro konstrukci některých částí letadel. Malá hermeticky uzavřená nádobka peroxidu vodíku se jednoduše uchytí ve vrchní části robotické paže a poskytuje dostatek energie pro 18 hodin běžné aktivity protézy.

Trvalo rok než byl zprovozněn první prototyp této ruky poháněné stlačeným dusíkem. To dovolilo výzkumníkům testovat základní design a rozpoznat prvotní problémy s kontrolou, netěsností a hlukem této mechanické paže. Tým s potěšením zjistil, že dokáže vyřešit všechny základní problémy za pomoci zdokonalení a zpřesnění ventilů.

Poté, co se vědcům podařilo ruku rozpohybovat na stlačený dusík, ji rozebrali a přestavěli tak, aby mohla fungovat na „horký plyn“ – páru ohřátou na 232 °C reakcí peroxidu vodíku. 

                                    Obr. 2 - Vzorec peroxidu vodíku

Jedním z prvních cílů se stala nutnost ochránit nositele náhrady a ostatní v její blízkosti od tepla, které vzniká při reakci. Pokryli tedy nejžhavější část, svazek s katalyzátorem, milimetrovou vrstvičkou speciální izolační vrstvy, která snížila teplotu povrchu natolik, že je bezpečné se ho dotýkat.

Dalším problémem byl výfukový plyn, který potřebovali někam odvést. Tento zádrhel vyřešili tak přirozeně, jak jen to šlo: do pórovitého povrchu protézy propíchali průduchy v místech, kde pára kondenzovala a měnila se v kapičky. „Množství vody takto vylučované na povrch ruky je přibližně stejné jako u člověka, který se normálně potí za teplého dne,“ vysvětluje Goldfarb.

Aby umožnili termickou reakci, vyměnili inženýři devět ventilů za sadu s nepatrně větší nepřesností. Ale když začali pracovat s takto upravenou robotickou rukou zjistili, že syčí a prosakuje. Nejdříve se domnívali, že ruka má jen jednu netěsnost a strávili týdny tím, že se ji snažili najít. Nakonec si uvědomili, že syčení a prosakování se odehrává na všech ventilech. Tento problém vyřešili výměnou ventilů za kvalitnější a přesnější.

                                            Obr. 3 - Robotická ruka

Jako největší problém spojeným s použitím horkého plynu se ukázal výběr materiálu pro spojovací pásky, které musejí být dostatečně silné a současně vydržet vysokou teplotu. Vědci zkoušeli například nylonový monofil, který je silnější než ocel, ale nedokázal odolávat teplotním podmínkám. Nakonec po dlouhém procesu pokusů a omylů zjistili, jaký materiál funguje: termoplast používaný ve strojírenství. Po vyřešení všech těchto technických problémů představili inženýři druhý prototyp protetické ruky letos v červnu.

V této chvíli se dostává program „Revoluční protézy 2009“ agentury DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) do druhé fáze. Přestože tým profesora Goldfarba prošel mnoha vědeckými milníky a vyrobil fungující prototyp, profesor sám si není jistý, zda bude jeho projekt podporován i v této druhé fázi.

„DARPA nastavila jasný cíl vyvinout komerčně dostupnou paži do dvou let. Myslím si ale, že budeme potřebovat mnohem více času, protože jsme použili neobvyklý zdroj energie a potřebujeme přezkoušet náš nový design,“ říká Goldfarb. Pokud se DARPA rozhodne nepodporovat dále tento projekt, je si Goldfarb jistý, že může získat finanční prostředky odjinud. „Udělali jsme takový pokrok a dostali jsme tak pozitivní ohlasy z vědecké komunity, že jsem si jistý, že dokáži náš projekt udržet v chodu.“ 

Zdroj: Exploration