Bioniset ihmiset: Exoskeleton-tekniikka määrittelee uudelleen rajat

Mainos

Sisään Huomisen reuna, Kesällä julkaistun kriittisesti tunnustetun tieteiskirjallisuuden elokuva, sotilaat taistelevat ulkomaalaisia ​​voimallisilla eksoskeletoilla, jotka lisäävät heidän voimaa, nopeutta ja ketteryyttä. Hopea näytöllä räjähdysten ja muiden maailmallisten vihollisten rinnalla ideat vaikuttavat Hollywood-keksinnöltä - mutta se on lähempänä todellisuutta kuin luuletkaan.

Exoskeleton-tutkimus on ollut käynnissä yli vuosisadan, ja se on tuottanut useita elinkelpoisia prototyyppejä. Yllättävää on kuitenkin, että he keskittyvät vähemmän ihmisen supervoimaan ja enemmän kestävyyden ja elämänlaadun parantamiseen. Alan tutkijat katsovat tulevaisuus 4 tekniikkaa, joka voisi muuttaa maailmaaJuuri nyt on niin jännittävä aika elää, koska tiede ja tekniikka vauhdittavat ihmiskuntaa eteenpäin niin uskomattomalla nopeudella. Kuka olisi uskonut kymmenen vuotta sitten, että meillä olisi yhden kosketuksen käyttöoikeus kaikkiin ... Lue lisää maratonina sprintin sijasta.

Exo-historia

Ihmisen eksoskeletonit ovat ilmestyneet

tieteiskirjallisuus tarinoita sInce 1950-luvulla, mutta ensimmäisen todellisen eksoskeleton kekseli yli puoli vuosisataa aikaisemmin venäläinen keksijä Nicholas Yagn. Asuinmaastaan ​​huolimatta hän päätti jättää patentin Yhdysvaltain patenttivirastolle vuonna 1890. Hän kuvasi keksintöään seuraavasti:

[…] Joukko jousia, jotka on sovitettu tukemaan koko vartalon painoa ja varastoimaan ja keräämään sen kautta käyttämä teho yhdessä voiman kanssa, joka tällaisen kuorman painolla on, kun se on liikettä. - keksijä Nicholas Yagn

Hänen eksoskeletonsa käytti myös ”paineistettua nestettä sisältäviä akkuja” energian varastointiin. Nicholasin mukaan hänen keksintönsä antoi käyttäjille paremman liikkuvuuden ja vähensi vartalon juoksemisen ja hyppäämisen rasitusta. Anteeksi, steam-punk-faneja; tämä ei ollut vaihdevetoinen kuolemankone.

Ensimmäisen moottorina varustetun eksoskeleton, nimeltään Hardiman, kehitti General Electric 1960-luvun lopulla. Massiivinen ja julma puku näytti paljon kuin sci-fi-kirjoittajien suunnittelemat massiiviset taistelupuvut. Se oli suunniteltu vahvistamaan käyttäjän voimaa huomattavasti, mutta keksijät eivät koskaan naulaneet hallintalaitteita ja virtavaatimuksia kokonaan. Kuten hankkeen loppuraportissa todetaan:

Ihmisen ja koneen käyttöliittymäongelma Hardiman I -prototyypissä on ollut vakava. Suuri tehonlisäys, moniliitosjärjestelmän monimutkaisuus sekä ihmisen ja koneen läheinen kytkentä asettavat monia suunnittelurajoitteita ja asettivat tiukat vaatimukset olemassa olevalle tekniikalle.

Hardimanin epäonnistuminen osoitti äärimmäisen vaikeuden kehittää eksoskeleton kyseisen aikakauden tekniikan avulla. Toinen yritys tehtiin vasta 1990-luvun alkupuolella, kun Kawasakin tutkijat aloittivat työn Powerilla Assist Suit [Broken URL Removed], eksoskeletti, joka on suunniteltu auttamaan lääketieteen ammattilaisia ​​liikkumaan liikkumattomasti potilaita.

Uuden kehityksen räjähdys tapahtui vuosisadan vaihdon jälkeen. Japanilainen yritys Cyberdyne esitteli HAL-3-eksoskeleton-konseptin, Berkeley kehitti alavartalon eksoskeleton nimeltä Bleex auttamaan sotilaita kuljettamaan raskaita tavaroita pitkillä etäisyyksillä, ja Honda on koonnut pari alavartalon eksoskeletteja, jotka on suunniteltu osittain liikkuville ihmisille, jotka muuten tarvitsevat sokeriruokaa tai kävelijää.

Käynnistys

Epäonnistunut Hardiman-projekti on sellainen puku, jota useimmat ihmiset ajattelevat, kun heille kerrotaan kuvittelevan eksoskeleton. Monet meistä muistavat kuvia fiktioista, kuten kuuluisan exoskeletonin, jota Sigourney Weaver (tai pikemminkin hänen takanaan piilotettu temppukki) ohjasi Aliens.

Massiivinen eksoskeletti voi varmasti herätä yleisöä, mutta sen käytännöllinen käyttö on rajoitettua. Paristoista puuttuu vielä kestävyys, jota tarvitaan hirveän koneen käyttämiseen pitkien ajanjaksojen ajan, ja suuri eksoskeletti ei tee paljon trukkia, nosturia tai muuta ajoneuvoa, jota ei voida jo saavuttaa. Nykyaikaiset eksoskeletonit keskittyvät parantamaan ihmisiä käytännöllisillä tavoilla, joista voi olla hyötyä päivittäin monissa tilanteissa.

Yksi uusimmista malleista on Human Universal Load Carrier eli HULC, sotilaallinen eksoskeletti, jonka on suunnitellut Lockheed-Martin parantamaan huomattavasti sotilaiden fyysisiä kykyjä. Perusajatus, kuten ohjelmapäällikkö Jim Ni totesi ja yksityiskohtaisesti yrityksen lehdistötiedotteessa, on lisätä kestävyyttä ja voimaa samalla vähentäen loukkaantumisriskiä.

Se [HULC] antaa sotilaille tehdä asioita, joita he eivät voi tehdä tänään, ja auttaa samalla suojaamaan heitä tuki- ja liikuntaelinvammoilta. - Jim Ni, HULC-ohjelman johtaja

Se ei kuulosta paljolti niistä eduista, joita Nicholas Yagn väitti eksoskeletonistaan ​​yli sata vuotta sitten, mutta nykyaikaisen tekniikan avulla tutkijat voivat paremmin toteuttaa idean. HULC voi auttaa juoteita kuljettamaan jopa 200 punnan kuormia eri maastossa ja minimoida samalla loukkaantumisriskin, joka voi hidastaa sotilasta kentällä. Paristot saavat virtsaan yli viisikymmentä puntaa painavan ulkokuoren, jonka käyttöikä erityislaitteilla voi kestää jopa 72 tuntia.

Mutta Lockheed-Martin ei ole ainoa yritys tällä alalla. Raytheon on viettänyt viimeiset kahdeksan vuotta kehittämällä XOS: ää, joka toivoo täyttävän saman roolin kuin HULC. Toisin kuin kilpailija, XOS kattaa kuitenkin huomattavan osan käyttäjän ala- ja ylävartiosta. Sen keksijät lainaavat samanlaisen maksimikantavuuden, joka on vähintään 200 puntaa, mutta lujuuden lisääntyminen ulottuu käsivarsiin, jotka voivat pitää jopa viisikymmentä puntaa pienellä vaivalla.

Ei vain sotilaille

Samalla Japanissa Cyberdyne on jatkanut HAL-5-eksoskeletonsa kehittämistä. Toisin kuin amerikkalaisissa ikäisissä, tämä laite on rakennettu siviilikäyttöön sotilaalliseen käyttöön. Yhtiö tutkii useita malleja teollisuuden työntekijöiden käyttöön, katastrofivalmius henkilökohtaiset ja lääketieteelliset ammattilaiset.

Alaraajojen malli, joka on suunniteltu auttamaan kuntoutusta vammoihin liittyvissä liikkuvuusongelmissa, on hyväksytty käytettäväksi Euroopassa, ja sitä käytetään kliinisissä tutkimuksissa. Ensimmäinen kokeilu valmistui tämän vuoden huhtikuussa, ehdottaa, että eksoskeletti tarjoaa "erittäin merkittävän parannuksen" liikkuvuuteen kuluneena ja parantaa samalla ajan myötä saman potilaan kykyä liikkua ilman exoskeleton. Vain kahdeksan potilasta oli kuitenkin mukana tutkimuksessa, joten on tehtävä enemmän työtä HAL: n hyötyjen vahvistamiseksi.

Toinen siviilieksoskeletti, jota kiinnitetään huomiota, on ReWalk, alavartalon eksoskeleton, joka sopii HAL: n kaltaiseen rooliin. ReWalk käyttää pienitehoisia jalomoottoreita auttamaan liikkuvuutta tarjoamalla koko päivän akun. Toisin kuin HAL, ReWalkia on käytettävä keppien kanssa, mutta se on myös kehitystyössä ja hyväksytty useissa maissa. ReWalkia voidaan käyttää kuntoutukseen tai ostaa henkilökohtaiseen käyttöön pyörätuolin tai moottoriskootterin vaihtoehtona.

Paristot eivät sisälly toimitukseen

FORTIS, joka vasta aloitti testauksen tänä vuonna, on Lockheed-Martinin uusin eksoskeleton. Vaikka merivoimat suorittavat ensimmäisen testauskierroksen, tämä eksoskeletto on, toisin kuin HULC, tarkoitettu vain siviilikäyttöön. Se vahvistaa käyttäjän vartaloa ja vähentää raskaiden työkalujen käsittelyn rasitusta, jota laivastomekaanikot usein käyttävät alusten korjaamiseen.

Käyttämällä FORTIS-eksoskeletoa käyttäjät voivat pitää näiden raskaiden työkalujen painon pidemmän aikaa vähentyneellä väsymyksellä. - Adam Miller, uusien aloitteiden johtaja, Lockheed-Martin

Vaikka FORTISella ei ole paristoja, sillä on vaikuttavat kyvyt. Se voi auttaa käyttäjiä pitämään jopa 36 puntaa “vaivattomasti”. Se ei ehkä kuulosta aluksi paljon, mutta muista, että mekaniikka käyttää näitä työkaluja tunteja päivittäin. Mistä tahansa merkittävästä painosta voi tulla väsyttävää muutaman minuutin kuluttua. Exoskeleton auttaa myös siirtämään nämä kuormat maahan, vähentäen käyttäjän selkä- ja jalkojen rasitusta.

Tämän tyyppinen eksoskeleton voi, jos se osoittautuu menestyväksi, olla merkittävä siunaus rakennus- ja teollisuustyöntekijöille, joiden on nostettava vaatimattomia kuormia toistuvasti koko päivän. Työhön liittyvät vammat ovat edelleen yleisiä näillä aloilla, ja ajan myötä ne voivat heikentää huomattavasti näiden kenttien veteraanien elämänlaatua.

FORTISin tehottomuus vähentää myös monimutkaisuutta ja kustannuksia, mikä tekee ideasta miellyttävämmän laaja-alaiseen käyttöönottoon. Tästä huolimatta FORTIS on edelleen hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa; se julkistettiin ensimmäisen kerran juuri viime kuussa. Suurin osa muista eksoskeleton-hankkeista on ollut kehitystyössä vuosien ajan, ja joissain tapauksissa vuosikymmenien ajan, joten tällä hankkeella on vielä tie edetä.

Silti ihminen, mutta parempi

Nykyaikaisen eksoskeleton painopiste on siirtynyt voiman ja nopeuden lisäämisestä kestävyyden lisäämiseen. Tässä mielessä tavoitteena ei ole tehdä meistä paljon nopeampia tai vahvempia kuin aikaisemmin, vaan sen sijaan tehdä meistä kestävämpiä ja parantaa elämämme laatua. Vaikka tämä lähestymistapa ei ole loistava, tämä lähestymistapa on järkevä; valloitimme raskaiden kuormien nostamisen trukilla.

Vahinko ja uupumus ovat kuitenkin vihollisia, joita emme ole vielä voittaneet. Väsynyt, loukkaantunut sotilas todennäköisesti hidastaa koko yksikköään ja on vähemmän kykenevä reagoimaan uhkiin, ja vuoden 2013 arvio löytyi työpaikkavammoista maksaa jopa 250 miljardia dollaria vuodessa pelkästään Yhdysvalloissa. Rasituksen vähentäminen ja kestävyyden lisääminen voivat hyödyttää kaikkia jalkaväkeä taistelussa terveydenhuollon työntekijöiden kanssa siirtämällä potilaita sänkyjen välillä, joten todennäköisesti näemme eksoskeleton jatkavan tätä uutta lähestymistapaa tulevaisuudessa vuosikymmenellä. Exoskeletonit eivät anna meille super-inhimillistä voimaa tai polttavaa nopeutta - ainakaan milloin tahansa pian. Mutta ne auttavat meitä elämään pidempään, parempaa elämää Kuinka tekniikka voi vaikuttaa ihmisen evoluutioonInhimillisestä kokemuksesta, jota tekniikka ei ole koskettanut yhtäkään näkökohtaa, ei myöskään vartaloamme. Lue lisää .

Kuvahyvitys: Lockheed-Martin, Cyberdyne