Bionic Humans Exoskeleton Technology er omdefinering av grenser

I Edge of Tomorrow, en kritisk anerkjent science fiction film utgitt denne sommeren, soldater kjemper romvesen med drevne exoskeletons som forbedrer deres styrke, fart og smidighet. På sølvskjermen, sammen med eksplosjoner og andre verdens fiender, virker ideene som en Hollywood-oppfinnelse - men det er nærmere virkeligheten enn du tror.

Exoskeletonforskning har vært i gang i over et århundre, noe som resulterte i en rekke levedyktige prototyper. Overraskende nok fokuserer de mindre på supermenneskelig styrke og mer på å forbedre utholdenhet og livskvalitet. Forskere i feltet ser fremtiden 4 Teknologier som kan forandre verden 4 Teknologier som kan forandre verden akkurat nå er en så spennende tid å være i live, ettersom vitenskap og teknologi setter menneskeheten fremover på slike utrolige priser. Hvem ville ha tenkt for ti år siden at vi hadde en berøringstilgang til alle ... Les mer som et maraton i stedet for en sprint.

Exo-historie

Menneskelige exoskeletoner har dukket opp i science fiction historier siden 1950-tallet, men den første virkelige exoskeleton ble oppfunnet over et halvt århundre tidligere av russisk oppfinner Nicholas Yagn. Til tross for sitt bostedsland, bestemte han seg for å fremlegge et patent med US Patent Office i 1890. Han beskrev sin oppfinnelse som:

[...] En rekke fjærer som er tilpasset for å støtte hele kroppens vekt og lagre og akkumulere kraften som utøves derved, sammen med kraften som utøves av momentet av en slik dødvekt når den er i bevegelse. - Nicholas Yagn, oppfinner

Hans exoskeleton brukes også “kompressor-væske akkumulatorer” å lagre energi. Ifølge Nicholas ga oppfinnelsen sine brukere bedre mobilitet og reduserte belastningen av å løpe og hoppe på kroppen. Beklager, steam-punk fans; Dette var ingen geardrevet dødsmaskin.

Den første drevne eksoskeletten, kalt Hardiman, ble utviklet av General Electric i slutten av 1960-tallet. Massiv og brutal så faren ut som de massive kampene som ble forutsatt av sci-fi forfattere. Den ble designet for å forsterke en brukeres styrke vesentlig, men oppfinnerne sinte aldri helt ned kontrollene og kraftspørsmålene. Som angitt i prosjektets sluttrapport:

Man-maskingrensesnittproblemet i Hardiman I prototypen har vært en alvorlig. Den høye effektøkningen, kompleksiteten til flerleddet systemet og den intime koblingen av mannen og maskinen påførte mange designbegrensninger og stillet store krav til eksisterende teknologi.

Hardimans fiasko viste den ekstreme vanskeligheten med å utvikle en eksoskelett med den tidens teknologi. Et annet forsøk ble ikke gjort før tidlig på 1990-tallet, da forskerne ved Kawasaki begynte å jobbe på Power Assist Suit, en eksoskelett designet for å hjelpe medisinske fagfolk til å bevege seg ubesværige pasienter.

En eksplosjon av ny utvikling skjedde etter århundreskiftet. Japansk selskap Cyberdyne introduserte HAL-3 exoskeleton-konseptet, Berkeley utviklet et eksoskeleton med lavere kropp som heter Bleex for å hjelpe soldatene med tung belastning over lange avstander, og Honda har satt sammen et par eksoskeletoner i underkroppen designet for delvis mobile mennesker som kanskje ellers ville trenge en stokk eller walker.

Slå på

Det mislykkede Hardiman-prosjektet er den typen drakt de fleste tenker på når de blir fortalt å forestille seg en eksoskelet. Mange av oss husker bilder fra fiksjon, for eksempel den berømte eksoskeletten som ble lansert av Sigourney Weaver (eller rettere stuntmannen skjult bak henne) i Romvesener.

En massiv eksoskeleton kan sikkert vie et publikum, men den praktiske bruken er begrenset. Batterier mangler fortsatt den utholdenhet som trengs for å drive en beastly maskin i lange perioder, og et stort eksoskelett gjør ikke mye en gaffeltruck, kran eller annet kjøretøy kan ikke allerede oppnå. Moderne exoskeletoner fokuserer på å styrke mennesker på praktiske måter som kan brukes hver dag i en rekke situasjoner.

En av de nyeste designene er Human Universal Load Carrier, eller HULC, et militært eksoskelett designet av Lockheed-Martin for å styrke soldatens fysiske evner. Den grunnleggende ideen, som opplyst av programleder Jim Ni og detaljert i en pressemelding fra selskapet, er å øke utholdenhet og styrke samtidig som risikoen for skade blir redusert.

Det [HULC] gjør det mulig for soldater å gjøre ting de ikke kan gjøre i dag, samtidig som de bidrar til å beskytte dem mot muskuloskeletale skader. - Jim Ni, HULC programleder

Det høres ikke mye forskjellig fra fordelene Nicholas Yagn hevdet for sin eksoskelett for over hundre år siden, men moderne teknologi betyr at forskere bedre kan realisere ideen. HULC kan hjelpe soldatene med laster på opptil 200 pund over ulike terreng, samtidig som risikoen for skader som kan bremse en soldat i feltet minimeres. Batterier driver eksoskelettet, som veier over femti pund, og livet kan utvide opptil 72 timer med spesialutstyr.

Men Lockheed-Martin er ikke det eneste selskapet i dette feltet. Raytheon har tilbrakt de siste åtte årene utviklet XOS, som håper å fylle den samme rollen som HULC. I motsetning til konkurrenten, dekker XOS imidlertid en betydelig del av brukerens under- og overkropp. Oppfinderne oppgir en tilsvarende maksimal bæreevne på minst 200 pund, men forbedringen av styrke strekker seg til armene, som kan holde opptil femti pund med liten innsats.

Ikke bare for soldater

I Japan har Cyberdyne fortsatt utvikling av sin HAL-5 exoskeleton. I motsetning til sine amerikanske jevnaldrende, er denne enheten bygget for sivil snarere enn militær bruk. Selskapet forsker på flere modeller for bruk av industriarbeidere, katastroferespons personlig og medisinsk fagpersonell.

En legemodell som er utformet for å hjelpe rehabilitere personer med skaderelatert mobilitetsproblemer, er godkjent for bruk i Europa og brukes i kliniske studier. Den første rettssaken, ferdigstilt i april i år, antyder at exoskelettet gir en “svært betydelig forbedring” å bevege seg når det er slitt og også, med tiden, forbedrer den samme pasientens evne til å bevege seg uten eksoskelettet. Bare åtte pasienter var en del av studien, men det må derfor gjøres mer arbeid for å bekrefte HALs fordeler.

En annen sivil eksoskelett som mottar oppmerksomhet, er ReWalk, en eksoskelett i underlegemet som passer til en rolle som ligner på HAL. ReWalk bruker lavmotoriske benmotorer for å hjelpe til med mobilitet, samtidig som de har batterilevetid hele dagen. I motsetning til HAL, må ReWalk brukes med kanoer, men det er også videre i utviklingen og har blitt godkjent i flere land. ReWalk kan brukes til rehabilitering eller kan kjøpes til personlig bruk som et alternativ til rullestol eller drevet scooter.

Batterier Ikke Inkludert

FORTIS, som nettopp begynte å teste i år, er Lockheed-Martins nyeste eksoskelett. Selv om den første testrunden blir utført av marinen, er dette exoskelettet, i motsetning til HULC, ment bare for sivil bruk. Det forsterker brukerens kropp, og reduserer belastningen ved å håndtere de tunge verktøyene. Navy mekanikk bruker ofte å reparere skip.

Ved å bruke FORTIS-eksoskeletet, kan operatørene holde vekten på de tunge verktøyene i lengre tid med redusert tretthet. - Adam Miller, direktør for nye tiltak, Lockheed-Martin

Mens det mangler batterier, har FORTIS imponerende evner. Det kan hjelpe brukerne å holde opp til 36 pund “uanstrengt.” Det høres kanskje ikke så mye i starten, men husk at mekanikere bruker slike verktøy for timer hver dag. Enhver betydelig vekt kan bli slitsomt etter noen få minutter. Eksoskelettet hjelper også med å overføre disse belastningene til bakken, og reduserer belastningen på brukerens rygg og ben.

Denne typen exoskeleton, hvis den skulle vise seg vellykket, kan være en stor velsignelse for bygg og industriarbeidere som må løfte beskjedne belastninger gjentatte ganger i løpet av dagen. Arbeidsrelaterte skader er fortsatt vanlige på disse feltene, og over tid kan det i stor grad redusere livskvaliteten for veteraner i disse feltene.

FORTIS 'mangel på kraft reduserer også kompleksiteten og kostnaden, noe som gjør ideen mer velsmakende for bred distribusjon. Med det sagt, er FORTIS fortsatt veldig tidlig i sin utvikling; Det ble først annonsert bare forrige måned. De fleste andre exoskeletonprosjekter har vært i utvikling i mange år, og i noen tilfeller tiår, så dette prosjektet har fortsatt en vei å gå.

Fortsatt menneskelig, men bedre

Fokuset på det moderne exoskeletet har skiftet fra å øke styrke og fart for å forbedre utholdenheten. I denne forstand er målet ikke å gjøre oss langt raskere eller sterkere enn før, men i stedet for å gjøre oss mer holdbare og forbedre livskvaliteten vår. Selv om det ikke er glamorøst, gir denne tilnærmingen mening; vi erobret løfte tung last med gaffeltrucken.

Skader og utmattelse er imidlertid fiender vi har ennå å beseire. En sliten, skadet soldat sannsynligvis vil senke hele enheten og er mindre i stand til å reagere på trusler, og et 2013-estimat funnet at arbeidsskader koster opptil 250 milliarder dollar årlig i USA alene. Redusere belastning og økt utholdenhet kan være til nytte for alle fra infanteri i kamp til helsepersonell som flytter pasienter mellom senger, så vi vil sannsynligvis se at exoskeletoner fortsetter denne nye tilnærmingen i det kommende tiåret. Exoskeletoner vil ikke gi oss super-menneskelig styrke eller lynrask hastighet - i hvert fall ikke noe tid snart. Men de vil hjelpe oss til å leve lenger, bedre liv Hvordan teknologi kan påvirke menneskelig evolusjon Hvordan teknologi kan påvirke menneskelig evolusjon Det er ikke et eneste aspekt av menneskelig erfaring som ikke har blitt rørt av teknologi, inkludert våre kropp. Les mer .

Bildekreditt: Lockheed-Martin, Cyberdyne

Utforsk mer om: Bionic Technology.