Bioonilised inimesed: Exoskeletoni tehnoloogia määratleb piirid uuesti

Reklaam

Sisse Homse serva, kriitikute poolt tunnustatud ulmefilm, mis ilmus sel suvel, võitlevad sõdurid välismaalastega jõuliste eksoskeletonitega, mis suurendavad nende jõudu, kiirust ja jaksu. Hõbedasel ekraanil näivad ideed plahvatuste ja muude vaenlaste kõrval Hollywoodi leiutisena - kuid see on reaalsusele lähemal kui arvata oskate.

Exoskeletoni uuringuid on tehtud juba üle sajandi, mille tulemuseks on mitmed elujõulised prototüübid. Üllataval kombel keskenduvad nad vähem aga inimese ülijõududele ja rohkem vastupidavuse ja elukvaliteedi parandamisele. Valdkonna teadlased näevad tulevik 4 tehnoloogiat, mis võiks muuta maailmaPraegu on elus nii põnev aeg, sest teadus ja tehnoloogia haaravad inimkonda nii uskumatute kiirustega edasi. Kes oleks kümme aastat tagasi arvanud, et meil on kõigile juurdepääs ühe nupuvajutusega ... Loe rohkem maratonina sprindi asemel.

Ekso-ajalugu

Inimese eksoskeletid on ilmunud ulme lood sInce 1950ndatel, kuid esimese päris eksoskeleti leiutas üle poole sajandi varem vene leiutaja Nicholas Yagn. Vaatamata oma elukohariigile

otsustas ta esitada patendi Ameerika Ühendriikide Patendiametile aastal 1890. Ta kirjeldas oma leiutist järgmiselt:

[…] Arv vedrusid, mis on kohandatud toetama kogu keha raskust ning hoidma ja kogunema sel viisil rakendatav võimsus koos sellise tühimassi hooga avalduva võimsusega, kui see on sees liikumine. - Nicholas Yagn, leiutaja

Tema eksoskelett kasutas energia salvestamiseks ka suruvedeliku akumulaatoreid. Nicholase sõnul andis tema leiutis kasutajatele parema liikuvuse ja vähendas kehal jooksmise ja hüppamise koormust. Vabandust, steam-punk fännid; see polnud käigukastiga surmasin.

Esimese jõulise eksoskeleti, nimega Hardiman, töötas General Electric välja 1960. aastate lõpus. Massiivne ja jõhker, ülikond nägi välja sarnaselt sci-fi autorite kavandatud massiivsete lahingukostüümidega. Selle eesmärk oli kasutaja tugevust märkimisväärselt võimendada, kuid selle leiutajad ei naelutanud juhtimisseadmeid ja energiatarvet täielikult. Nagu projekti lõpparuandes öeldud:

Inimese ja masina liidese probleem Hardiman I prototüübis on olnud tõsine. Suur võimsuse juurdekasv, mitme liigendiga süsteemi keerukus ning inimese ja masina intiimne ühendamine seadsid palju disainipiiranguid ja seadsid olemasolevale tehnoloogiale suuri nõudmisi.

Hardimani läbikukkumine näitas selle ajastu tehnoloogiaga eksoskeleti arendamise äärmuslikke raskusi. Uut katset tehti alles 1990. aastate alguses, kui Kawasaki teadlased alustasid tööd Poweril Assist Suit [Broken URL Removed], eksoskelett, mis on mõeldud meditsiinitöötajatele liikumatuna liikumiseks patsiendid.

Uue arengu plahvatus leidis aset pärast sajandivahetust. Jaapani ettevõte Cyberdyne tutvustas HAL-3 eksoskeleti kontseptsiooni, Berkeley töötas välja alakeha eksoskeleti nimega Bleex, et aidata sõduritel raskeid koormaid vedada pikkade vahemaade taha ja Honda on kokku pannud paar madalama keha eksoskeleti, mis on mõeldud osaliselt liikuvatele inimestele, kes muidu vajaksid suhkruroo või jalutajat.

Sisselülitamine

Ebaõnnestunud Hardimani projekt on selline ülikond, mida enamik inimesi mõtleb, kui neile öeldakse, et nad kujutavad endast eksoskeletti. Paljud meist tuletavad meelde ilukirjanduslikke pilte, näiteks kuulus eksoskelett, mida piloteeris Sigourney Weaver (või õigemini tema taga peidetud kaskadöör) Tulnukad.

Massiivne eksoskelett võib kindlasti publikut võluda, kuid selle praktiline kasutamine on piiratud. Patareidel puudub ikka veel vastupidavus, mida on vaja metsalise masina pikaks ajaks toomiseks, ja suur eksoskelett ei anna tõstukile, kraanale või muule sõidukile palju juurde. Kaasaegsed eksoskeletid keskenduvad inimeste tugevdamisele praktilistel viisidel, millest saab iga päev kasu olla erinevates olukordades.

Üks viimaseid disainilahendusi on Human Universal Load Carrier ehk HULC, sõjaline eksoskelett, mille on loonud Lockheed-Martin, et sõdurite füüsilisi võimeid märkimisväärselt parendada. Põhiidee nagu on öelnud programmijuht Jim Ni ja täpsustatud ettevõtte pressiteates, on vastupidavuse ja jõu suurendamine, vähendades samal ajal ka vigastuste riski.

See [HULC] võimaldab sõduritel teha asju, mida nad tänapäeval teha ei saa, aidates samal ajal kaitsta neid luu- ja lihaskonna vigastuste eest. - Jim Ni, HULC programmijuht

See ei kõla palju erinevalt eelistest, mida Nicholas Yagn väitis oma eksoskeleti jaoks rohkem kui sajand tagasi, kuid kaasaegne tehnoloogia tähendab, et teadlased saavad ideed paremini realiseerida. HULC aitab joodistel vedada koormat kuni 200 naela erineval maastikul, minimeerides samal ajal vigastuste riski, mis võivad sõdurit põllul aeglustada. Patareid toidavad eksoskeletti, mis kaalub üle viiekümne naela ja spetsiaalse varustusega võib eluiga pikendada kuni 72 tundi.

Kuid Lockheed-Martin pole ainus ettevõte selles valdkonnas. Raytheon on viimased kaheksa aastat veetnud XOS-i arendamist, mis loodab täita sama rolli nagu HULC. Erinevalt konkurendist katab XOS siiski olulise osa kasutaja ala- ja ülakehast. Selle leiutajad tsiteerivad sarnast maksimaalset kandevõimet vähemalt 200 naela, kuid tugevuse suurendamine laieneb ka relvadele, mis suudavad väikese vaevaga hoida kuni viiskümmend naela.

Mitte ainult sõduritele

Vahepeal Jaapanis on Cyberdyne jätkanud HAL-5 eksoskeleti arendamist. Erinevalt oma Ameerika eakaaslastest on see seade ehitatud pigem tsiviil- kui sõjaliseks kasutamiseks. Ettevõte uurib mitmeid mudeleid, mida saaks kasutada tööstustöötajate jaoks, katastroofidele reageerimine isiklikud ja meditsiinitöötajad.

Euroopas on heaks kiidetud alajäsemete mudel, mis on loodud vigastustega seotud liikumisprobleemidega inimeste rehabilitatsiooni hõlbustamiseks ja mida kasutatakse kliinilistes uuringutes. Esimene kohtuprotsess, valminud selle aasta aprillis, soovitab eksoskelett parandada kandes liikuvust väga märkimisväärselt ja parandab aja jooksul sama patsiendi liikumisvõimet. ilma eksoskelett. Uuringus osales siiski ainult kaheksa patsienti, seega tuleb HAL-i eeliste kinnitamiseks veel rohkem tööd teha.

Veel üks tähelepanu pälvinud tsiviil eksoskelett on ReWalk, alakeha eksoskelett, mis sobib HAL-ga sarnase rolliga. ReWalk kasutab liikuvuse hõlbustamiseks vähese energiatarbega jalamootoreid, pakkudes samal ajal kogu päeva kestvat aku. Erinevalt HAL-ist tuleb ReWalkit kasutada keppidega, kuid see on ka oma arengus kaugemal ja heaks kiidetud mitmes riigis. ReWalki saab kasutada taastusravis või selle saab isiklikuks kasutamiseks osta alternatiivina ratastoole või mootoriga tõukerattale.

Patareid pole komplektis

FORTIS, mis alles sel aastal katsetama hakkas, on Lockheed-Martini uusim eksoskelett. Ehkki esimest testimisvooru viib läbi merevägi, on see eksoskelett erinevalt HULC-ist mõeldud ainult tsiviilotstarbeliseks kasutamiseks. See tugevdab kasutaja keha, vähendades mereväe mehaanikute poolt laevade remondiks kasutatavate raskete tööriistade käsitsemise koormust.

FORTIS eksoskeleti kandmisega saavad operaatorid väiksemate väsimustega pikka aega hoida nende raskete tööriistade raskust. - Adam Miller, uute algatuste direktor, Lockheed-Martin

Ehkki sel puuduvad akud, on FORTISel muljetavaldavad võimed. See võib aidata kasutajatel vaevata hoida kuni 36 naela. See ei pruugi alguses kõlada, kuid pidage meeles, et mehaanikud kasutavad selliseid tööriistu tundide kaupa iga päev. Iga oluline kaal võib mõne minuti pärast väsitavaks muutuda. Eksoskelett aitab neid koormusi ka maasse viia, vähendades kasutaja selja ja jalgade koormust.

Seda tüüpi eksoskelett, kui see osutub edukaks, võib olla suur õnnistus ehitustöölistele ja tööstustöötajatele, kes peavad kogu päeva jooksul korduvalt tagasihoidlikke koormaid tõstma. Tööst põhjustatud vigastused on nendes valdkondades endiselt levinud ja aja jooksul võivad need valdkonnad veteranide elukvaliteeti oluliselt vähendada.

FORTISe elektripuudus vähendab ka keerukust ja kulusid, muutes idee laiaulatuslikuks juurutamiseks paremaks. Sellegipoolest on FORTIS alles väga varajases arengus; esmakordselt teatati sellest just eelmisel kuul. Enamik teisi eksoskeletiprojekte on arenenud aastaid ja mõnel juhul aastakümneid, nii et sellel projektil on veel oma tee minna.

Ikka inimlik, aga parem

Kaasaegse eksoskeleti fookus on nihkunud jõu ja kiiruse suurendamiselt vastupidavuse suurendamisele. Selles mõttes pole eesmärk mitte muuta meid senisest palju kiiremaks või tugevamaks, vaid selle asemel, et muuta meid vastupidavamaks ja parandada oma elukvaliteeti. Ehkki see pole glamuurne, on sellel lähenemisel mõistlik; vallutasime kahveltõstukiga raskete koormate tõstmise.

Vigastus ja kurnatus on aga vaenlased, kelle vastu peame veel võitma. Väsinud, vigastatud sõdur aeglustab tõenäoliselt kogu oma üksust ja on vähem võimeline reageerima ohtudele, ja 2013. aasta hinnangu kohaselt leiti töökohal vigastusi maksavad ainuüksi Ameerika Ühendriikides kuni 250 miljardit dollarit aastas. Tüve vähendamine ja vastupidavuse suurendamine võib kasu tuua jalaväest kõigile, kes on lahingus tervishoiutöötajate vastu patsientide voodikohtade vahel liigutamisega, nii et tõenäoliselt näeme, et eksoskeletid jätkavad seda uut lähenemist ka edaspidi kümnend. Exoskeletonid ei anna meile üliinimlikku jõudu ega lõõmavat kiirust - vähemalt mitte kunagi nii kiiresti. Aga need aitavad meil elada kauem, paremat elu Kuidas tehnoloogia võib mõjutada inimese evolutsiooniInimkogemustest ei ole ühtegi aspekti, mida tehnoloogia, sealhulgas meie keha, pole puudutanud. Loe rohkem .

Kujutise krediit: Lockheed-Martin, Küberdyne