Bioniska människor: Exoskeleton-tekniken definierar gränser

Annons

I Glimt av morgondagen, en kritikerrosad science-fictionfilm som släpptes i sommar, slåss soldater utomjordingar med drivna exoskeletter som förbättrar deras styrka, hastighet och smidighet. På silverskärmen, tillsammans med explosioner och andra världsliga fiender, verkar idéerna som en Hollywood-uppfinning - men det är närmare verkligheten än du skulle tro.

Exoskeletforskning har pågått i över ett sekel, vilket resulterat i ett antal hållbara prototyper. Men förvånansvärt fokuserar de mindre på supermänsklig styrka och mer på att förbättra uthållighet och livskvalitet. Forskare på området ser framtiden 4 tekniker som kan förändra världenJust nu är en så spännande tid att leva, eftersom vetenskap och teknik skadar mänskligheten framåt i sådana otroliga priser. Vem skulle ha tänkt för tio år sedan att vi skulle ha en touch tillgång till alla ... Läs mer som ett maraton istället för en sprint.

Exo-historia

Mänskliga exoskeletter har dykt upp i science fiction berättelserfrån 1950-talet, men den första riktiga exoskeletten uppfanns över ett halvt sekel tidigare av den ryska uppfinnaren Nicholas Yagn. Trots sitt hemland

han bestämde sig för att lämna in patent hos USA: s patentmyndighet 1890. Han beskrev sin uppfinning som:

[...] ett antal fjädrar anpassade för att stödja hela kroppens vikt och lagra och ackumulera kraft utövad därigenom, tillsammans med kraften som drivs av drivkraften av en sådan dödvikt när den är i rörelse. - Nicholas Yagn, uppfinnare

Hans exoskelett använde också ”tryckluftsackumulatorer” för att lagra energi. Enligt Nicholas gav hans uppfinning användare bättre rörlighet och minskade belastningen av att springa och hoppa på kroppen. Tyvärr, steam-punk fans; detta var ingen växeldriven dödsmaskin.

Den första drivna exoskeletten, kallad Hardiman, utvecklades av General Electric i slutet av 1960-talet. Den massiva och brutala, kostymen såg ut som de massiva stridsdräkter som sci-fi-författare föreställde sig. Det var utformat för att förstärka användarens styrka väsentligt, men uppfinnarna spikade aldrig helt ner kontrollerna och effektkraven. Som framgår av projektets slutrapport:

Problemet mellan man-maskin-gränssnittet i prototypen Hardiman I har varit allvarligt. Den höga effektförstärkningen, komplexiteten i det flerfogade systemet och den intima kopplingen mellan mannen och maskinen ställde många konstruktionsbegränsningar och ställde stora krav på befintlig teknik.

Hardimans misslyckande visade den extrema svårigheten att utveckla ett exoskelett med den tidens teknik. Ett annat försök gjordes inte förrän i början av 1990-talet, då forskare vid Kawasaki började arbeta med makten Assist Suit [Broken URL Removed], ett exoskelett som är utformat för att hjälpa läkare att flytta orörligt patienter.

En explosion av ny utveckling inträffade efter sekelskiftet. Det japanska företaget Cyberdyne introducerade HAL-3-exoskeletkonceptet, Berkeley utvecklade ett underkroppsskelett kallat Bleex för att hjälpa soldater att bära tunga laster över långa avstånd, och Honda har satt ihop ett par underkropps exoskeletter designade för delvis mobila människor som annars skulle behöva en käpp eller en rullator.

Starta

Det misslyckade Hardiman-projektet är den typ av kostym som de flesta tänker på när de får föreställa sig att föreställa sig ett exoskelett. Många av oss minns bilder från fiktion, till exempel den berömda exoskeletten som piloterats av Sigourney Weaver (eller snarare stuntman gömd bakom henne) i Aliens.

En massiv exoskelett kan säkert wow en publik, men dess praktiska användning är begränsad. Batterier saknar fortfarande den uthållighet som krävs för att driva en dyr maskin under långa perioder, och ett stort exoskelett gör inte mycket för en gaffeltruck, kran eller annat fordon som inte redan kan uppnå. Moderna exoskeletter fokuserar på att förbättra människor på praktiska sätt som kan användas varje dag i olika situationer.

En av de senaste designerna är Human Universal Load Carrier, eller HULC, ett militärt exoskelett designat av Lockheed-Martin för att kraftigt förbättra soldaternas fysiska kapacitet. Den grundläggande idén, som anges av programchef Jim Ni och detaljerat i ett pressmeddelande från företaget, är att öka uthållighet och styrka och samtidigt minska risken för skador.

Det [HULC] gör det möjligt för soldater att göra saker de inte kan göra idag, samtidigt som de hjälper till att skydda dem från skador på muskuloskelet. - Jim Ni, HULC-programchef

Det låter inte mycket annorlunda än de fördelar Nicholas Yagn påstod för sin exoskelett för över hundra år sedan, men modern teknik gör att forskare bättre kan förverkliga idén. HULC kan hjälpa säljare att bära mängder upp till 200 pund över olika terrängar samtidigt som risken för skador som kan bromsa en soldat i fältet minimeras. Batterier driver exoskeletten, som väger över 50 kilo, och livslängden kan sträcka sig upp till 72 timmar med specialutrustning.

Men Lockheed-Martin är inte det enda företaget inom detta område. Raytheon har spenderat de senaste åtta åren med att utveckla XOS, som hoppas kunna fylla samma roll som HULC. Till skillnad från konkurrenten täcker dock XOS en betydande del av användarens underkropp. Dess uppfinnare citerar en liknande maximal bärförmåga på minst 200 pund, men förstärkningen av styrka sträcker sig till armarna, som kan rymma upp till femtio pund med liten ansträngning.

Inte bara för soldater

I Japan har Cyberdyne under tiden fortsatt utvecklingen av sitt HAL-5-exoskelett. Till skillnad från sina amerikanska kamrater är den här enheten byggd för civilt snarare än militärt bruk. Företaget undersöker flera modeller för industrianställda. katastrofsvar personlig och medicinsk personal.

En modell med undre extremiteter utformad för att hjälpa till att rehabilitera personer med skadorelaterade rörlighetsproblem har godkänts för användning i Europa och används i kliniska prövningar. Den första rättegången, avslutades i april i år, föreslår att exoskeletten ger en "mycket betydande förbättring" av rörligheten när den bärs och förbättrar också med tiden samma patients förmåga att röra sig utan exoskeletten. Endast åtta patienter var en del av studien, men det måste därför göras mer arbete för att bekräfta fördelarna med HAL.

Ett annat civilt exoskelett som uppmärksammar sig är ReWalk, en underkroppsskoskelett som passar en roll som liknar HAL. ReWalk använder benkraftmotorer med låg effekt för att hjälpa till med rörlighet och samtidigt erbjuda batteritid hela dagen. Till skillnad från HAL måste ReWalk användas med käppar, men den är också vidare i sin utveckling och har godkänts i flera länder. ReWalk kan användas för rehabilitering eller kan köpas för personligt bruk som ett alternativ till rullstol eller eldriven skoter.

Batterier ingår inte

FORTIS, som just började testa i år, är Lockheed-Martins senaste exoskelett. Även om den första testrundan genomförs av marinen, är detta exoskelett, till skillnad från HULC, endast avsett för civilt bruk. Det förstärker användarens kropp, vilket minskar belastningen med att hantera tunga verktyg som marinmekaniker ofta använder för att reparera fartyg.

Genom att bära FORTIS exoskelett kan operatörerna hålla vikten på de tunga verktygen under längre perioder med minskad trötthet. - Adam Miller, chef för nya initiativ, Lockheed-Martin

Även om det saknar batterier, har FORTIS imponerande förmågor. Det kan hjälpa användare att hålla upp till 36 kilo "utan ansträngning." Det låter kanske inte så mycket till en början, men kom ihåg att mekanik använder sådana verktyg i timmar varje dag. Varje väsentlig vikt kan bli trött efter några minuter. Exoskeletten hjälper också till att överföra dessa laster till marken, vilket minskar belastningen på användarens rygg och ben.

Denna typ av exoskelet, om det skulle visa sig framgångsrikt, kan vara en stor välsignelse för byggnads- och industriarbetare som måste lyfta blygsamma belastningar upprepade gånger under dagen. Arbetsrelaterade skador är fortfarande vanliga inom dessa områden och kan över tid kraftigt minska livskvaliteten för veteraner i dessa fält.

FORTIS: s brist på makt minskar också komplexiteten och kostnaderna, vilket gör idén mer smaklig för omfattande implementering. Men med det sagt är FORTIS fortfarande mycket tidigt i sin utveckling; Det tillkännagavs först förra månaden. De flesta andra exoskeletprojekt har utvecklats i flera år, och i vissa fall årtionden, så detta projekt har fortfarande ett sätt att gå.

Fortfarande mänskligt, men bättre

Fokus för den moderna exoskeletten har förskjutits från att öka styrka och hastighet till att förbättra uthållighet. I den meningen är målet inte att göra oss mycket snabbare eller starkare än tidigare utan istället att göra oss mer hållbara och förbättra vår livskvalitet. Även om det inte är glamoröst, är det här sättet meningsfullt; vi erövrade lyft av tunga laster med gaffeltrucken.

Skada och utmattning är dock fiender som vi ännu inte har besegrat. En trött, skadad soldat kommer troligen att bromsa hela enheten och är mindre kapabel att svara på hot, och en uppskattning från 2013 hittades på arbetsplatsskador kostar upp till 250 miljarder dollar per år endast i USA. Att minska belastningen och öka uthålligheten kan gynna alla från infanteri i kamp till sjukvårdspersonal flytta patienter mellan sängar, så vi kommer troligtvis se exoskeletter fortsätta denna nya strategi i det kommande årtionde. Exoskeletter ger oss inte supermänsklig styrka eller flammande hastighet - åtminstone inte snart. Men de kommer att hjälpa oss att leva längre, bättre liv Hur teknik kan påverka mänsklig evolutionDet finns inte en enda aspekt av den mänskliga erfarenheten som inte har berörts av teknik, inklusive våra kroppar. Läs mer .

Bildkredit: Lockheed Martin, Cyberdyne