W PW trwają prace nad modułową protezą dłoni

Każdego roku na świecie ok. 185 tys. osób poddawanych jest amputacji. Szacuje się, że do 2050 r. ta liczba podwoi się. Zespół z Politechniki Warszawskiej pracuje nad uniwersalną i tanią protezą dłoni, której elementy byłyby wymienne i mogły „rosnąć” wraz z użytkownikiem.

Na pomysł stworzenia modułowej protezy dłoni wpadła Ewelina Drelich, absolwentka studiów inżynierskich na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa, a obecnie studentka Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych. Skąd inspiracja?

Dziecięce marzenia

– Od dziecka marzyłam, żeby zostać lekarzem. Niestety bardzo boję się krwi. Uznałam, że nie jest to dobry pomysł, ponieważ za każdym razem będę mdleć przy pacjencie – śmieje się Ewelina Drelich.

Studentka znalazła jednak sposób, by pomagać ludziom. Podjęła studia na Wydziale MEiL na kierunku automatyka i robotyka, specjalność biomechanika i biorobotyka. Poszukując tematu do pracy inżynierskiej, myślała o wykonaniu małego humanoidalnego robota. Okazało się to jednak zbyt dużym projektem. Zdecydowała się zatem zająć jego częścią – ręką.

– Stwierdziłam, że stworzenie protezy dłoni będzie świetną alternatywą. Dzięki temu mogę pomóc ludziom z realnym problemem – amputacją dłoni, łącząc to z moim zamiłowaniem do techniki – mówi.

Głównym celem pracy było stworzenie bazy mechanizmu protezy, która w przyszłości mogłaby zostać zastosowana do budowy protezy „uniwersalnej”, tj. mogącej w sposób tani, poprzez wymianę odpowiednich elementów szkieletowych, „rosnąć” wraz z człowiekiem. Jednym z głównych założeń konstrukcyjnych była również „zamkniętość” mechanizmu protetycznego, czyli umieszczenie wszystkich mechanizmów wewnątrz obudowy. 

Proteza, która rośnie wraz z użytkownikiem

– Przygotowując się wcześniej do pracy przejściowej, w ramach której wykonywałam biologiczny model dłoni, zapoznałam się z literaturą i badaniami dotyczącymi dłoni, jej ruchów, protezami. Natrafiłam na taki problem, że dzieci dostają na początku tylko protezy estetyczne, które zapewniają im jedynie podstawowe chwyty. Są one bardzo małe i dlatego trudno jest dostosować wielkość bardziej zaawansowanej protezy do dziecka, aby była odpowiednio lekka i wszystko dobrze działało – tłumaczy Ewelina Drelich.

Studentka stwierdziła wówczas, że chciałaby stworzyć protezę dla małych dzieci, która jest w możliwie największym stopniu funkcjonalna, a cały mechanizm byłby zamknięty w dłoni. Większość protez jest bowiem przeznaczona dla osób, które mają amputację dużo wyżej, czyli z wyłuszczeniem w stanie łokciowym lub przed nim. Mechanizm jest zawarty głównie w części przedramiennej.

– Dodatkowo chciałam umożliwić zakup takiej protezy jak największemu gronu odbiorców, stąd pomysł, by była ona modułowa. Wiadomo, że dziecko rośnie, więc jego proteza potrzebuje przebudowy. Aby nie kupować nowej, można wymieniać tylko te najważniejsze części – modułowe, szkieletowe. Cały mechanizm, który będzie zużywał się dużo wolniej, pozostanie ten sam, co zmniejszy koszty protezy – wyjaśnia.

Na początek proteza kciuka

Swój pomysł Ewelina Drelich kontynuuje w ramach pracy magisterskiej na kierunku inżynieria biomedyczna na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych.

– Zaproponowałam ten temat mojej promotorce, prof. Monice Kwacz z Wydziału Mechatroniki. Stwierdziła, że jest to świetny pomysł. Pracujemy nad nim w ramach projektu „Antropomorficzna proteza dłoni – budowa i badanie funkcjonowania prototypu kciuka”. Jego kierownikiem jest dr inż. Witold Rządkowski z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa, który był również opiekunem mojej pracy inżynierskiej – mówi Ewelina Drelich.

– W tej chwili pracujemy nad protezą kciuka. To jeden z najbardziej zaawansowanych palców jeżeli chodzi o protezę dłoni i wymaga najwięcej pracy – wyjaśnia dr inż. Witold Rządkowski. – To jest palec, którego tak naprawdę nie da się zastąpić. Bez każdego z pozostałych da się funkcjonować właściwie w niezmieniony sposób, a bez kciuka nie - dodaje.

Zmieniona została koncepcja ruchu. Na początku sprężyny w przegubach miały zapewniać zamknięcie się dłoni. Teraz to silniczki będą naciągać dłoń, a sprężyny będą ją prostować. Pozwoli to zachować większą antropomorficzność dłoni.

– Obecny kształt powstał na podstawie zdjęć rentgenowskich i został odwzorowany w programie komputerowym SolidWorks, a następnie przeskalowany, żeby jak najbardziej przypominał kształt ludzkiego kciuka i aby zapewnić jak najlepsze doznania osobie, która miałaby takiego kciuka używać – mówi Ewelina Drelich.

Od modelu komputerowego do rzeczywistego

W ramach pracy inżynierskiej studentki powstał wyjściowy model komputerowy dłoni. Teraz zespół pracuje nad projektem rzeczywistym – na razie w formie wydruków w technologii FDM (Fused Deposition Modeling) – metoda druku 3D polegająca na nanoszeniu termoplastycznego materiału warstwa po warstwie, a także druku żywicą.

Dzięki takim elementom szkieletowym będzie można personalizować kciuk przy zachowaniu całego mechanizmu wewnątrz. Będzie można go przekładać, a kiedy palec będzie rosnąć – wydłużać jedynie poszczególne segmenty.

– W projekcie pracujemy nad jednym palcem. Chcemy, żeby zachowywał się, miał tą samą kinematykę ruchu jak ludzki kciuk, a także dawał podobne siły uchwytu. Temat jest bardzo rozwojowy. W przypadku dobrych wyników moglibyśmy się skupić na całej dłoni, zbudować odpowiedni mechanizm i pracować nad jego miniaturyzacją. Później moglibyśmy pomyśleć o testach przez osoby po amputacji - mówi dr inż. Witold Rządkowski. – Namawiam Panią Ewelinę, żeby została dłużej na uczelni po magisterce i kontynuowała temat. Pewnie się uda – dodaje z nadzieją.

Oprócz inż. Eweliny Drelich i dr. inż. Witolda Rządkowskiego w projekcie uczestniczą: dr hab. inż. Monika Kwacz, prof. uczelni z Wydziału Mechatroniki, dr hab. inż. Jacek Dziurdź, prof. uczelni z Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych, dr inż. Michał Kowalik z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa oraz studenci: Jan Tracz i Adam Cisowski.

Projekt „Antropomorficzna proteza dłoni – budowa i badanie funkcjonowania prototypu kciuka” jest finansowany w ramach realizowanego w PW programu „Inicjatywa doskonałości - uczelnia badawcza”. Znalazł się w gronie laureatów konkursu na granty badawcze „BIOTECHMED-2: Start” Centrum Badawczego POB Biotechnologia i Inżynieria Biomedyczna.