Istoria, prezentul și viitorul exoscheletelor

omului

În 1868, Edward Ellis a publicat un roman ieftin intitulat The Steamman on the Prairie. A descris un imens motor cu aburi construit sub forma unui corp uman. Acest lucru permite inventatorului, geniul John Brainard, să meargă în vehiculul său robot, în derivă cu o viteză de aproximativ 100 km/h, vânând bizoni și păscând indieni.

Și în 1961, cu doi ani înainte de crearea primei benzi desenate Iron Man, Pentagonul a anunțat o competiție pentru a crea adevărate uniforme de robot. Armata SUA avea nevoie de un „tanc-om cu direcție grea și frâne”.

În zilele noastre, un exoschelet este un costum metalic care aproape urmează forma corpului uman sau o parte dintr-un astfel de costum cu o înălțime de 2-2,5 m. Mai mare pentru „costume mobile” și alți roboți umanoizi.

Exoscheletele au avut întotdeauna două scopuri: creșterea abilităților motorii unei persoane sănătoase și normalizarea acestora la o persoană bolnavă. În funcție de ceea ce trebuie realizat, proiectarea poate fi cu modificări diferite. (de exemplu, orteze de mână este, de asemenea, un tip de exoschelet).

Hardiman

Primul exoschelet a fost creat în 1961 de General Electric. Hardiman cântărea 680 kg, dar putea transporta greutăți de până la 340 kg. Au intenționat să-l folosească sub apă, în spațiu, în operațiuni militare. dar această dezvoltare nu a fost la înălțimea așteptărilor și a fost uitată în siguranță. Motivul principal a fost acela că la o greutate de 680 kg, dar cu o centrare slabă atunci când ridicați o sarcină, întreaga structură a început să vibreze, ceea ce a dus adesea la răsturnare.

Nouă ani mai târziu, Miomir Vukobratovic din Belgrad a arătat primul exoschelet de mers forțat, sarcina căruia a fost să ofere abilități motorii depline persoanelor cu paralizie a membrelor inferioare. Baza mecanismului de acționare a fost pneumatica. Dezvoltarea a fost observată de oamenii de știință sovietici, care împreună cu colegii lor iugoslavi au început să lucreze împreună pentru a îmbunătăți un exoschelet cu o propulsie similară. Dar odată cu apariția perestroicii, proiectul a fost închis și nu există dovezi ale unei lucrări secrete de exoschelet „subteran”.

În diferite țări, inventatorii au încercat să creeze „corpuri exterioare” pentru o varietate de scopuri, dar din cauza numeroaselor obstacole (discutate mai jos) au eșuat. Lipsa energiei, creșterea lentă a progresului științific și tehnologic, dezvoltarea nesatisfăcătoare a științei materialelor și a științelor conexe, precum și calculul electronic și cibernetica - toate acestea au fost câteva dintre motive. Acestea erau tehnologii complexe care abia acum sunt pe deplin stăpânite de oameni.

Probleme de exoschelet

La prima vedere, există multe materiale pe Pământ, dar în realitate nu există atât de multe care să poată face un corp sănătos, suficient de ușor pentru a nu avea nevoie de propria forță.

Dacă exoscheletul ipotetic se descompune în componente, acesta va consta dintr-o sursă de alimentare, software (PO) și o parte mecanică, asemănătoare în parte cu cea naturală - oase, articulații etc. Și dacă în ceea ce privește mecanica și software-ul, punctele complete sunt clare și nu există aproape nici o problemă de rezolvat, atunci cu sursa de alimentare nu este așa. Dacă există o sursă de energie fiabilă, aceasta ar putea fi creată doar pe un exoschelet simplu și combinată cu un costum spațial și un rucsac cu combustibil.

Oricare dintre sursele de alimentare compacte comune (bateriile reîncărcabile) de astăzi ar putea oferi exoscheletelor câteva ore de funcționare liniștite. Motorul cu ardere internă pare fiabil, dar nu este foarte compact. În plus, are nevoie de un sistem de răcire suplimentar, iar motorul cu ardere internă în sine este dificil de configurat pentru a activa instantaneu o cantitate mare de energie. Combustibilii electrochimici pot ajuta (metanolul) să îndeplinească această condiție, dar funcționează și la temperaturi excesiv de ridicate. De exemplu, 600 de grade Celsius este o temperatură relativ scăzută pentru un astfel de motor.

În practică, cea mai posibilă soluție la problema cu motorul exoschelet poate deveni o problemă la fel de dificil de rezolvat - cea a transmiterii de energie fără fir. Cu toate acestea, poate fi transmis de la cât de mare este reactorul (chiar și unul nuclear!). Dar cum?

Mecanica exoscheletului pasiv

La fel ca la oameni, fiecare picior al mecanismului constă din coapse, tibie și picior. Părțile structurii sunt conectate prin balamale cu diferite grade de mobilitate. Balamaua articulată are trei grade de mobilitate. Se poate roti în jurul unei axe orizontale „înainte și înapoi” (de obicei în anumite limite), iar pe o altă axă orizontală există o îndoire și o ridicare. Se poate roti și în jurul unei axe verticale. Tibia este legată de coapsă printr-o balama cilindrică cu o axă de rotație - orizontală. În ceea ce privește tibia, are trei grade de libertate și fiecare se poate roti în jurul tibiei în anumite limite. La fel ca mersul unei persoane „goale”, mersul unui exoschelet este o succesiune de faze alternante de suport unic și dublu suport. În prima fază, un picior se sprijină pe un suport solid și celălalt se mișcă (numit și faza de transfer), iar exoscheletul are 14 grade de libertate.

Exoscheletul pasiv nu conține surse de alimentare care să necesite reîncărcare din când în când. Timpul său de lucru este nelimitat. Pe de altă parte, absența unei surse de alimentare suplimentare reduce capacitățile de proiectare și lărgimea sarcinilor pe care le poate îndeplini.

Model 3D al unui exoschelet pasiv

Algoritmul pentru controlul exoscheletului pasiv constă în blocarea și eliberarea articulațiilor genunchiului la rând - mai întâi unul, apoi celălalt picior. În momentul plasării unui picior pe o suprafață dură, articulația genunchiului său este fixă, este blocată și, de ceva timp, unghiul articulației oprește schimbarea acesteia. Fixarea se face printr-un mecanism de frână montat în articulația genunchiului. Întrucât în ​​această poziție articulația nu se mai poate contracta, toată sarcina este preluată de dispozitivul de frânare. În momentul detașării piciorului de la suprafață, articulația este eliberată și piciorul exoscheletului urmează din nou comenzile musculare ale piciorului uman. Dacă o persoană stă nemișcată și nu se mișcă, articulațiile sunt blocate și datorită acestui lucru genunchii suportă greutatea și nu se pot îndoi. În acest fel, mecanismul eliberează complet persoana de greutatea sa - chiar și a propriei sale, deoarece este purtat de mecanism. De aceea, exoscheletul este util atunci când transportă sarcini grele sau urcă scările - o persoană se poate opri și se poate odihni în orice moment.

Metoda de fixare descrisă mai sus este utilizată și în proteze pentru persoanele cu dizabilități care și-au pierdut piciorul sub genunchi. O astfel de proteză conține o articulație a genunchiului.

O persoană într-un exoschelet pasiv cântărește aproximativ 100 kg

Soluția la problema echilibrului unei persoane într-un astfel de exoschelet rămâne în mâinile utilizatorului însuși. Dacă, de exemplu, o persoană intenționează să transporte o încărcătură grea folosind un exoschelet, este de obicei recomandat să se antreneze în avans.

Mecanica exoscheletului activ

Exoscheletul activ constă de obicei din șapte unități articulate și este echipat cu doi cilindri hidraulici care pliază și desfășoară articulațiile genunchiului și sistemul de control.

Sistemul uman-exoschelet este similar cu sistemul pilot-avion sau cu mașina-șofer. Există o distribuție a funcțiilor între operatorul uman și mecanism. În sistemul considerat aici, angrenajele exoscheletului trebuie să îndeplinească voința operatorului. Este „comunicat”, așa cum vom vedea mai jos, cu ajutorul senzorilor.

Model 3D al unui exoschelet activ

La fel cu exoscheletul pasiv, cu exoscheletul activ este îngrijirea persoanei și a mușchilor săi, nu a angrenajelor exoscheletului.

Material

Primele exoschelete au fost realizate din aluminiu și oțel, ieftine și ușor de utilizat. Dar oțelul este prea greu, iar exoscheletul trebuie să poată transporta o sarcină peste propria greutate. Adică, la o greutate mare, eficiența „costumului” scade. Aliajele de aluminiu sunt suficient de ușoare, dar acumulează rapid oboseala metalelor, ceea ce înseamnă că nu sunt deosebit de potrivite pentru sarcini grele. Inginerii caută materiale ușoare și durabile, cum ar fi titanul sau fibra de carbon. Ele vor fi inevitabil costisitoare, dar vor asigura și eficiența exoscheletului.

Angrenajele sunt o problemă specială. Cilindrii hidraulici standard sunt suficient de puternici și pot funcționa cu precizie ridicată, dar sunt și grei și necesită multe furtunuri și țevi. Pneumatica, pe de altă parte, este foarte imprevizibilă în domeniul procesării mișcării, deoarece gazele comprimate izvorăsc și forțele reactive vor schimba treptele de viteză atunci când scheletul se mișcă.

În prezent sunt dezvoltate noi servodirecții electronice care vor folosi magneți și vor oferi mișcări ascuțite, consumând energie minimă și fiind mici. Poate fi comparat cu trecerea de la o navă cu aburi la un tren. De asemenea, un astfel de exoschelet va avea articulații flexibile. Această problemă poate fi rezolvată și de dezvoltatorii de costume spațiale, care vor ajuta la adaptarea costumului la dimensiunea purtătorului său.

Circulaţie

Nu este atât de ușor să faci un exoschelet cu aceeași viteză de reacție a fiecăruia dintre membre. Principiul de funcționare al exoscheletului este conceput după cum urmează: utilizatorul face o mișcare cu mâna sau piciorul. Senzorii conectați la membre transmit această mișcare către acțiunile membrelor exoscheletice - fie ele hidraulice sau electrice. În același timp, senzorii trebuie să se asigure că mișcările manipulatorilor corespund cu cele ale operatorului. În afară de problema sincronizării amplitudinii mișcărilor, inginerii au și problema armonizării lor temporale. Cu toate acestea, potrivit unor designeri, nu ar trebui să avem încredere în utilizator și să lăsăm senzorii să determine viteza de mișcare pe cele ale corpului.

Exoscheletul este atașat de corp prin curele sau curele. Dar acest atașament nu este stabil și permite unei persoane să facă mici mișcări în afara exoscheletului - „micro-mișcări”. În aceste micro-reproduceri, o persoană acționează asupra senzorilor de forță musculară atașați la această sau la acea parte a exoscheletului, semnalând astfel direcția și viteza de mișcare dorite. Senzorii de forță sunt, de asemenea, montați pe picioarele dispozitivului.

Mecanismul exoscheletului poate fi prea rapid pentru utilizatorul său, dar a fi făcut prea lent nu este eficient. Fiecare mecanic are un anumit timp de reacție și în acest caz ar trebui să fie cât mai scurt posibil. În prezent, dezvoltarea exoscheletelor mici și compacte are prioritate. Deoarece nu permit creșterea suprafeței de sprijin etc., mecanica care nu se poate mișca cu omul poate fi un obstacol serios în practică. Desincronizarea mișcărilor utilizatorului și a costumului poate duce la rănire sau cădere. Este necesar să se limiteze viteza reacțiilor pe ambele părți. De asemenea - devreme pentru a anticipa mișcări neintenționate sau nedorite, nu strănutul sau tusea duc la reacții accelerate. Exoscheletul vizează, în general, o creștere uniformă și proporțională a efortului utilizatorului în toate mișcările sale.

Exoscheletele în acest moment

Programul Warrior Web, dezvoltat de Pentagon, are un scop pur militar și ar trebui să sporească rezistența soldaților. Acesta trebuie să distribuie sarcina la viteză mare și să protejeze persoana de răniri. Principalul avantaj al Warrior Web este că soldatul poate purta un astfel de produs sub o uniformă simplă. Setul este echipat cu amplificatoare electrice de putere musculară, care sunt alimentate cu baterii reîncărcabile. Există, de asemenea, un sistem GPS, astfel încât soldatul să poată fi găsit și tratat. Cele mai strânse zone ale corpului înfășurate vor fi articulațiile genunchiului și gleznele, astfel încât nu numai încărcătura să fie bine distribuită, dar și soldații să fie protejați doar de răni și entorse.

Mai multe mostre ale unei astfel de uniforme au fost prezentate recent. Acestea sunt echipate cu mulți senzori care citesc citirile contracțiilor musculare, consumului de oxigen și echilibrului general al corpului utilizatorului.

X1 este un exoschelet pentru astronauți și persoane cu disfuncție a picioarelor. Cântărește 25 kg și a fost creat la NASA. Folosește câteva soluții tehnologice de la robotul spațial Robonaut 2. În spațiu, X1 poate ajuta astronauții să se deplaseze fără a utiliza prea multă forță într-o gravitație de câteva ori mai mare decât cea a Pământului. De asemenea, asigură încărcarea musculară pentru astronauții care nu au greutate. Fiecare membru al X1 are zeci de articulații mobile, dintre care patru sunt echipate cu motoare electrice. Astfel, exoscheletul repetă mișcările picioarelor umane.

RAYTHEON a fost demonstrat în 2010, iar modificarea sa XOS 2 este mult mai flexibilă și mai ușoară. Nu există reactor sau armură. Crește semnificativ greutatea persoanei.

Există, de asemenea, exoscheletele care rulează Windows. Rewalk, conceput pentru persoanele cu mobilitate redusă, cântărește 23,3 kg și are trei moduri: mers, șezut și în picioare.

HULC (Human Universal Load Carrier) este, de asemenea, proiectat în scopuri militare. Membrele sunt acționate hidraulic și sunt alimentate de baterii litiu-polimer. Utilizatorul poate transporta sarcini de până la 140 kg.

Cea mai așteptată inovație în exoscheletele sunt mănușile robotizate. Acestea sunt manipulatoare pentru utilizarea obiectelor și instrumentelor care nu sunt atât de convenabile pentru prinderea manuală. Cu aceste „mănuși” problema sincronizării este complicată de numărul mare de elemente mecanice, de particularitățile mișcării încheieturilor umane etc.

Următorul pas în exoschelete este probabil interfața neuroelectronică. Mecanica este acum controlată de senzori și roți dințate. Electrozii sensibili la impulsurile nervoase umane sunt mai convenabili de utilizat. Un astfel de sistem va reduce timpul de reacție al corpului și va crește eficiența întregului exoschelet.