Применение экзоскелета в современном мире
Зміст:
- Введення
- Історія розвитку екзоскелетів
- Сфери застосування екзоскелетів
- Справжнє і майбутнє екзоскелетів
- Вісновок
Упродовж усієї нашої історії людині завжди не хапало сили, щоб піднімати важкі предмети, мати більшу силу удару і витривалість. Але завдяки науці і техніці люди все ж змогли збільшити свої силові можливості. Так з'явилися экзоскелеты - спеціальні костюми, що збільшують силу людини за допомогою зовнішнього каркаса. Особливістю цих пристроїв є їх легкість і здатність механічно повторювати усі рухи людини. Погодьтеся, це велике і значиме досягнення в сучасних технологіях, яке знаходить застосування в медицині, військових цілях, в місцях з радіаційною небезпекою, будівництві і промисловості.
За допомогою екзоскелета солдат може нести більше зброї на собі, він значною мірою захищений від ворожих куль, швидше і активніше у своїх рухах. Оскільки основні сили костюм бере на себе, людина зберігає більше енергії і, звичайно, своє здоров'я.
А подумайте тільки, настільки екзоскелет корисний в медицині! Це просто знахідка для інвалідів, які повністю втратили віру в те, що зможуть знову ходити, а паралізовані зможуть рухати своїми кінцівками силою думки, будучи в спеціальному костюмі.
Оскільки екзоскелети пристрої універсальні, їх можна застосовувати у будь-яких галузях життя людини, де потрібна додаткова сила. Ви їх можете зустріти в науково-фантастичній літературі, коміксах, відеоіграх і фільмах("Чужі", "Залізна людина", "Аватар" і інші).
Попри те, що екзоскелети вже використовуються людьми в різних ситуаціях, вони все ще розвиваються, вимагають удосконалення в лабораторіях і коштують дуже дорого. Давайте подивимося, який же шлях пройшли екзоскелети з моменту їх створення і до цього дня.
Історія розвитку екзоскелетів
Першим винахідником екзоскелета є російський інженер Микола Ягн, який жив і працював в США, і в 1890-х запатентував ряд технологій, які полегшували ходьбу, біг і стрибки людини. Ягн планував направити свої розробки в допомогу військовим.
У 1960-х роках компанія General Electric представила світу розробку костюма Hardiman. Цей пристрій був моделлю сучасного екзоскелета, який міг піднімати об'єкти вагою до 110 кг, працювати на воді, сухіше і навіть в космосі. Але при усіх цих високих прагненнях розробка так і не увінчалася успіхом із-за занадто важкої конструкції і повільної роботи.
У 1970-х роках югославський вчений Миомир Вукобратович створив екзоскелет з пневмоприводом, який повинен був допомогти паралізованим людям знову встати на ноги. Російські і європейські учені надалі брали за основу проект Вукобратовича при створенні своїх технологій. Так на початку 1980-х років з'явився экзоскелет для інвалідів з Центрального інституту травматології і ортопедії імені Н. Н. Приорова.
Нестача енергоносіїв, повільна течія науково-технічного прогресу, розвиток матеріалознавства і інших суміжних наук значно гальмував розвиток екзоскелетів. І тільки в 2000-х з'явилися реальні досягнення в цій області. Учені з американського агентства науково-військових досліджень DARPA в 2007 році створили проект Lady Warrior. Цей пристрій був неброньованим і неозброєним повний екзоскелет, який повинен був тільки посилювати руки і ноги людини.
Пізніше в 2008 г компанія Cyberdyne представила світу роботизований костюм HAL, який відрізнявся значними вдосконаленнями, зокрема легким корпусом, вбудованим комп'ютером і роботою від автономних акумуляторів, заряду яких вистачало на пару годин безперервної роботи. Основне призначення екзоскелета - допомога інвалідам і паралізованим людям. Як це виглядає, дивіться на наступному відео:
У наш час розвиток екзоскелетів все більше і більше набирає оберти, і такі компанії, як Panasonic, Ekso Bionics, Lockheed Martin, DARPA і інші представляють щорічно свої пристрої на виставках, вражаючи все більшою продуктивністю і технологічними нововведеннями.
Сфери застосування екзоскелетів
Як ви вже знаєте, основними сферами застосування екзоскелетів є військова і медична. Але ці пристрої дуже корисні також в таких сферах діяльності, як місця з радіаційною небезпекою, або ж при підкоренні океанських глибин, де робокостюм буде легший і ефективніший за звичайний скафандр, а також при розборі завалів після землетрусу і у будівництві.
Військова сфера застосування екзоскелетів
Розробками екзоскелетів в допомогу військовим в наші дні займаються багато компаній. Це пов'язано з тим, що військова сфера все більше розвивається технологічно, і екзоскелети є допоміжним устаткуванням для сучасного солдата, яке забезпечує його додатковою силою, витривалістю і безпекою.
Однією з передових компаній по виробництву екзоскелетів для військових є Sacros. Облаштування XOS важить до 80 кг і забезпечує підняття до 90 кг вантажу. Це дозволяє одній людині в екзоскелеті замінити трьох солдатів. Відмітною особливістю цього костюма є його рухливість. Останні моделі(XOS 2 і 3) дозволяють людині навіть грати з м'ячем. І ви переконаєтеся в цьому, подивившись пристрій на відео:
Але є і недоліки: зовнішнє джерело живлення, високе споживання енергії і надмірно висока вартість - $ 150 тис. Втім, ці проблеми актуальні практично для усіх існуючих нині екзоскелетів.
Не можна не відмітити відомий екзоскелет від компанії Lockheed Martin - HULC(Human Universal Load Carrier). Основу костюма складають гідравліка і литий-полимерные батареї. Одягнений в екзоскелет користувач може переносити до 140 кілограмів. Передбачається, що солдати зможуть безперервно використати HULC впродовж 72 годин. Ціна цього робокостюма - близько 80 тис. доларів США.
Американська компанія Ekso Bionics займається розробкою таких екзоскелетів, як Exohiker, Exoclimber і Elegs. Перший повинен допомогти військовим переносити вантаж до 50 кг, при цьому сам він важить всього 10 кг Враховуючи наявність невеликої сонячної панелі, пристрій може працювати декілька днів в ясну погоду. Exoсlimber також важить 10 кг і є доповненням до Exohiker, дозволяючи людині стрибати і підійматися по сходинках. У 2010 році був створений Elegs, відоміший як Ekso. Це повноцінний гідравлічний екзоскелет, який дозволяє паралізованим людям ходити і стояти. Він важить 20 кг і дозволяє людині пересуватися з максимальною швидкістю 3,2 км/ ч впродовж 6 годин.
Подібні розробки екзоскелетів є і в Росії. Наприклад, бойова екіпіровка "Боец-21". Вага пристрою складає 22 кг. "Боєць" не являється повноцінним екзоскелетом, але включає його елементи, причому у броні використовуються нанотехнології. Вступ облаштування на озброєння армії Росії планувався в 2015 році, але доки невідомо, чи встигло Міноборони РФ закінчити роботу над костюмом. Подальшої інформації про нього більше немає.
DARPA - агентство, що займається дослідженнями в області робототехники, також представило пару років назад свій екзоскелет Warrior Web. Пристрій є анатомічною бронею для ніг, є легким, гнучким, м'яким, і може носитися під звичайним одягом. І хоча апарат досі не поступив на озброєння армії США, він має цілком яскраві перспективи.
До речі, у вересні минулого року DARPA протестувало екзоскелет з Гарварду на реальних солдатах в штаті Меріленд. Цей пристрій відрізняється системою силових кабелів для забезпечення механічної допомоги на додаток до сили тяжіння і природних рухів так, що мускулатура користувача витрачає менше енергії.
Випробовувані носили прототип з повним набором бойового спорядження на відстані до трьох миль, у тому числі по дорогах з помірно пересіченою місцевістю. Під час випробування інженери контролювали довжину кроків солдатів і частоту, м'язову активність і витрату енергії. Цілком можливо, що в найближчому майбутньому ці технології дозволять солдатам ходити на великі відстані, нести важкі вантажі з меншими зусиллями, а також зведуть до мінімуму ризик отримання травми.
Екзоскелети в медицині
Роботизовані костюми - це справжнє нововведення в медичних технологіях. Пацієнти, що перенесли серйозні травми хребта і кінцівок, паралізовані після інсульту люди можуть використати екзоскелет для поліпшення якості свого життя. Але, звичайно, не усі можуть дозволити собі такий терапевтичний прилад, оскільки середня вартість медичного екзоскелета - 90 тисяч доларів США.
Ми вже згадували про екзоскелете HAL від Cyberdyne. Його призначення - забезпечити можливість ходити людям з обмеженими можливостями. Є два основні варіанти пристрою : HAL - 3 і HAL - 5. З моменту презентації в 2011 році 130 медичних інститутів Японії прийняли HAL на службу.
Новітня модель костюма важить близько 10 кг і працює упродовж 3 годин, якщо немає перевантажень. Спеціальні датчики знімають свідчення з біоелектричних сигналів, витікаючих від м'язів, і комп'ютером робиться аналіз для розрахунку сили, вживаної сервомоторами. При цьому середня вартість пристрою не так вже і висока - 4200 доларів.
ReWalk від Argo Medical Technologies - ще один екзоскелет для людей з обмеженими можливостями. У червні 2014 року Управління продовольства і медикаментів США схвалило цей екзоскелет, тим самим відкривши йому дорогу в комерційне використання. Система важить близько 23,3 кг, працює на базі Windows і надає користувачеві роботу в трьох режимах: йти, сидіти і стояти. Вартість: від 70 до 85 тисяч доларів США. Пристрій може безперервно працювати впродовж 8 годин.
У 2015 році компанія випустила нову версію апарату ReWalk Personal 6.0, який отримав декілька поліпшень в конструкції, - дужки для ніг стали тонше, опорні ремені розподіляють вагу більше рівномірно по усьому тілу, а рюкзак, який раніше містив процесор, був замінений на менш габаритний кейс. Пацієнт, одягнений в новий ReWalk, зможе повноцінно ходити, присідати і навіть підніматися по сходах.
Усе більш популярною в медицині стає 3D друк. За допомогою 3D принтера можна створити екзоскелет під індивідуальні особливості тіла пацієнта. Так, фахівці компанії 3D Systems відсканували тіло однієї паралізованої пацієнтки і разом з Ekso Bionics роздрукували екзоскелет, який можна з упевненістю назвати роботом. Він створений для людей, що втратили здатність самостійно пересуватися на своїх ногах. Механізм компенсує м'язову атрофію або параліч, самостійно пересуваючи нижні кінцівки людини. Пристрій зараз успішно використовується в лікарнях і реабілітаційних центрах США.
У Росії розробкою медичних екзоскелетів займається команда учених на базі НИИ Механіки МГУ. Російський проект екзоскелета для збільшення фізичних можливостей людини, у тому числі для реабілітації людей з порушеннями локомоторних функцій називається ЕкзоАтлет. Система управління побудована на сигналах головного мозку, електроміограми і в автоматичному режимі забезпечує пересування пацієнта з повторенням максимально природної ходьби людини, що дозволяє істотно прискорити процес відновлення рухової і нервової активності. Завдяки особливій конструкції пристрій дозволяє перерозподілити вагу так, щоб людина-оператор без використання додаткових двигунів або джерел живлення зміг переносити до 100 кг вантажу. Вага самого пристрою при цьому складає 12 кг Ціна екзоскелета коливається в межах $30000.
Одно з останніх досягнень в області медичних екзоскелетів - облаштування Phoenix від американської фірми SuitX. При вартості в $ 40000 розробники позиціонують його як найдоступніший біонічний екзоскелет. Апарат складається з модуля тазостегнового суглоба, двох колінних модулів і модулів ніг, які регулюються під індивідуальні потреби кожного пацієнта. Параметри ходьби можуть бути налагоджені за допомогою фізіотерапевта через мобільне застосування для Android. Пристрій дуже легкий, всього 7 кг, може працювати до 4 годин в режимі безперервної ходьби на максимальній швидкості 3,2 км/год. Відмітно, що розробники намагаються якомога більше здешевити свій апарат, використовуючи недорогі сервоприводи і датчики, і обіцяють, що Phoenix буде доступний за ціною до $20000.
Інші сфери застосування екзоскелетів
Екзоскелети знаходять застосування і в інших сферах діяльності людини. Їх можуть носити будівельники, співробітники МНС, пожежники і рятувальники. Приміром, компанія ActiveLink, одно з підрозділів Panasonic, в 2015 році випустила серію екзоскелетів під назвою Power Loader, які призначена для людей, працюючих з важкими вантажами на складах і у виробництві. Power Loader важить 40 кг, дозволяє піднімати до 30 кг вантажу і працює автономно 26 годин. Ціна таких екзоскелетів складає від 5 до 7 тисяч доларів. Також в цю серію входить випущений нещодавно екзоскелет AWN - 03, розроблений спеціально для підтримки попереку. Він автоматично розпізнає рух користувача при підйомі і триманні важких предметів, і посилає сигнал на двигуни для обертання шестерні. Особливості системи в тому, що вона піднімає верхню частину тіла користувача, і в результаті зменшує навантаження на нижню частину спини. Ще один новий костюм від Panasonic називається "Ninja" і допомагає користувачеві ходити і бігати, наприклад, в проходженні по крутих гірських стежках і в лісах.
Окрім екзоскелетів на усе тіло, все більшою популярністю користуються обмежені пристрої, призначені для виконання специфічних завдань. Наприклад, екзостул Chairless Chair від Noonee дозволяє сидіти стоячи. Пристрій підходить для людей, які проводять тривалий час, стоячи на місці, наприклад, для операторів конвеєрної стрічки, касирів, адміністраторів супермаркетів, охоронців. При активації екзоскелета спрацьовують амортизатори, що перетворюють його на зручне крісло, яке знімає напругу в м'язах ніг і суглобах. Каркас Chairless Chair виконаний з алюмінію і вуглецевого волокна вагою всього 2 кг Батарея на 6В забезпечує пристрій харчуванням впродовж 24 годин.
Серед інших пристроїв можна виділити винахід від канадської компанії Port Hope - ARAIG. Це спеціальний костюм для геймеров. Він дозволяє власникові фізично відчувати віддачу від гри. ARAIG - це куртка, яка складається з декодера, екзоскелета і штучної шкіри. У екзоскелет вбудовані вібродвигуни, завдяки яким людина реально відчуває різноманітні ігрові ефекти : попадання куль, ударні хвилі від вибухів, дощ, тремтіння землі під гусеницями танків, і тому подібне. У комірі цього незвичайного пристрою сховані 6 динаміків. Важливо також і те, що ARAIG сумісний з будь-якою ігровою платформою, а його вартість не перевищує $300.
Екзоскелети застосовуються також успішно в космічній діяльності. NASA має на своїй службі екзоскелет Х1, який важить 25 кг, і призначений для підтримки астронавтів в хорошій фізичній формі у відсутності земного тяжіння, забезпечуючи навантаження м'язам і зв'язкам.
Сьогодення і майбутнє екзоскелетів
Як і усі роботизовані пристрої, екзоскелети на шляху до своєї досконалості стикаються з багатьма проблемами. Якщо розібрати традиційний екзоскелет на складові, ви отримаєте джерело живлення, механічний скелет і програмне забезпечення. І якщо з двома останніми пунктами все ясно, то перший представляє серйозну проблему.
Будь-яке з сучасних джерел живлення на сьогодні може забезпечити екзоскелету лише декілька годин автономної роботи. Далі пристрій працює або від дроту, або від сонячної батареї. Є екзоскелети, працюючі на батареях, що не перезаряджаються, які часто доводиться міняти. У зв'язку з цим розробники намагаються знайти відповідне джерело живлення для екзоскелетів у вигляді потужного акумулятора або, як не дивно, безпровідної передачі енергії. В майбутньому цей процес може здійснюватися з великого реактора, у тому числі і ядерного. Залишається тільки винайти спосіб цього передання.
Коли мова заходить про каркас, та більшість екзоскелетів створені з алюмінію і сталі. Але це занадто важкі матеріали, які значною мірою знижують ефективність костюма. Забезпечити легкість і високу продуктивність екзоскелета можуть легші і міцніші матеріали, такі як титан або вуглецеве волокно. На сьогодні це дуже дорогі матеріали, але сподіваємося, що в майбутньому вони будуть доступніші.
Наступною проблемою екзоскелетів є приводи. Зазвичай в конструкції робокостюма використовуються гідравлічні циліндри. Вони досить потужні і можуть працювати з високою точністю. Але ці циліндри дуже важкі і вимагають наявності шлангів і трубок. Вирішенням цієї проблеми можуть стати пневматичні приводи, а також сервоприводи на електронній основі. Ці механізми працюватимуть від магнітів, споживаючи мінімум енергії.
Величезну складність при створенні екзоскелета представляє управління і регулювання рухів користувача. Зазвичай датчики прочитують рухи тіла людини, і механізм синхронно реагує на них. Але цього недостатньо. Будь-який випадковий рух може порушити синхронізацію в управлінні, і костюм просто може покалічити користувача. Тому компоненти управління повинні заздалегідь виявляти випадкові рухи користувача ніби чиха або кашлю, щоб не було збою в системі.
Все більше учені працюють над інтерфейсом мозок-машина, що дозволяє управляти екзоскелетом силою думки. Яскравий приклад тому - нещодавно розроблений інтерфейс мозок-комп'ютер з Корейського університету і Технічного університету Берліна.
Інтерфейс взаємодіє з екзоскелетом через спеціальну шапку на голові користувача, що записує ЭЭГ. Так, сигнали мозку прочитуються і визначають необхідний режим руху. Така методика дозволяє управляти екзоскелетом навіть тим пацієнтам, які позбавлені добровільного контролю за своїм тілом. Це велике досягнення, і тепер вченим залишається тільки допрацювати технологію, щоб впровадити її в життя.
Висновок
Розглянувши особливості екзоскелетів, відмітимо, що це справжнє диво техніки, що перетворює на реальність речі, які раніше були неможливі. Це не лише інструмент для отримання надсили, але і остання надія на самостійну ходьбу для паралізованої людини. Крім того, будь-які завдання в промисловості, будівництві і навіть космосі також можуть бути вирішені за рахунок цих технологій.
Але на шляху до масового впровадження в наше життя екзоскелети повинні здолати ряд проблем, у тому числі і високу вартість. Ми упевнені, що в майбутньому ці пристрої будуть доступнішими для звичайних людей і стануть звичним явищем, як комп'ютери і мобільні телефони, забезпечуючи нам життя на новому технологічному рівні.
