Что такое экзоскелеты и как они работают?

Экзоскелеты часто изображают в фантастических фильмах, а теперь используют в реальной жизни. Они уже широко используются в некоторых отраслях, например, в строительстве и медицине, и имеют множество применений.

Итак, для чего они нужны? А как работают экзоскелеты? В этой статье мы рассмотрим некоторые из используемых в настоящее время экзоскелетов.

Что такое экзоскелеты?

Экзоскелеты – это, по сути, носимые машины, которые обеспечивают человеческие возможности аугментации . В зависимости от функции экзоскелет может быть изготовлен из твердых материалов (например, из пластика или металла) или из мягких материалов (например, ткани). Кроме того, некоторые из них могут быть моторизованными или электрическими, а другие просто механическими и без двигателя.

Чаще всего экзоскелет каким-то образом расширяет возможности владельца. Есть несколько вариантов использования экзоскелетов, в том числе:

• Повышение прочности и производительности.
• Снижение утомляемости.
• Минимизация травм.
• Оказание поддержки.
• Возвратная функция (в случае паралича или травмы).

Как работают экзоскелеты?

В зависимости от типа и функции экзоскелета они могут работать по-разному. Две широкие категории экзоскелетов – это механические экзоскелеты и экзоскелеты с приводом, которые мы опишем ниже.

Пассивные экзоскелеты

Пассивные экзоскелеты не имеют питания и функционируют в основном механически, перераспределяя вес с одной части тела на другую. Один из распространенных способов их работы – это перенос веса с рук и плеч на мышцы кора или ног. Таким образом, руки меньше устают, а вес распределяется сильнее, что снижает вероятность перенапряжения и травм.

Активные экзоскелеты

С другой стороны, электрические экзоскелеты могут добавить владельцу силы и функциональности. Однако, поскольку такие экзоскелеты требуют энергии, они обычно тяжелее и крупнее, чтобы учесть оборудование и аккумуляторы. Они также нуждаются в подзарядке и могут иметь короткое время автономной работы, что может быть недостатком в быстро развивающихся отраслях.

Типы экзоскелетов

Уже используются различные экзоскелеты. Многие из них используются в строительной отрасли и предназначены для повышения производительности и безопасности рабочих.

Силовые перчатки

Силовые перчатки, такие как Bioservo Ironhand, обнаруживают действия пользователя с помощью датчиков в перчатке. Когда перчатка обнаруживает, что владелец собирается схватить объект, Ironhand увеличивает силу захвата владельца. Сила варьируется в зависимости от ощущаемого веса объекта.

Поддержка верхней части тела

Экзоскелеты, предназначенные для поддержки верхней части тела, перераспределяют вес с рук и плеч на другие части тела, включая ядро ​​и ноги. Это снижает напряжение и утомляемость, связанные с работой над головой, такой как подъем, штукатурка, резка и сверление.

Обычно они работают, обеспечивая металлический каркас, который окружает сундук или ядро. Отсюда металлический стержень (или другая технология распределения веса, такая как шкивы или пружины) проходит к рычагам, обеспечивая противовес рабочей нагрузке.

Примером этого является экзоскелет корпуса Levitate Technology . В корпусе самолета используется система шкивов, позволяющая снизить нагрузку до 80% при выполнении задач над головой. Шкивы активируются, когда пользователь поднимает руки, и постепенно отпускают их по мере их опускания. Другой пример – здравоохранение, где прототип костюма используется, чтобы помочь медсестрам поднимать пациентов на кровати и вставать с них .

Приседание и поддержка стоя

Когда пользователь приседает, экзоскелет нижней части тела фиксируется, чтобы выдержать вес его тела, так что его ноги и колени не должны выполнять какую-либо работу. Это также позволяет рабочим сидеть и снимать вес с ног, что важно для тех, кто стоит долгие часы.

LegX от suitX является примером экзоскелета с опорой на корточки. Он поставляется с индивидуальными рабочими ботинками и ремнями для инструментов, а также использует датчики, чтобы определять, когда пользователь приседает, стоит или идет, обеспечивая поддержку по мере необходимости.

Экзоскелеты всего тела

Экзоскелеты всего тела, как следует из названия, обеспечивают поддержку всего тела. Примером является костюм X, который снимает вес с пользователя, когда он наклоняется , поднимает предметы над головой, приседает или просто стоит. В костюме X используются пневматические пружины и вспомогательные механизмы.

В настоящее время разрабатываются несколько экзоскелетов, обеспечивающих движение обратно инвалидам и раненым (например, с инсультом или травмами позвоночника, утратившими способность двигаться).

Фактически, уже существует несколько экзоскелетов нижней части тела, которые обеспечивают эту функцию. В медицинских учреждениях эти экзоскелеты с электроприводом позволяют пациентам снова нести свой вес и ходить. Некоторые из них работают, принимая активность мозга и переводя ее в движение (управляя экзоскелетом с помощью вашего разума).

Проблемы и ограничения экзоскелетов

Прежде чем экзоскелеты станут более полезными, дешевыми и распространенными, необходимо преодолеть несколько проблем.

Источник питания

Для экзоскелета с приводом требуется источник питания. Прокладка кабелей от экзоскелета создает проблемы с безопасностью и эффективностью, поэтому батареи подходят гораздо лучше. Но батареи требуют зарядки и частой замены. Батареи также значительно увеличивают вес экзоскелета, что может усложнить его конструкцию и повысить эффективность. Это означает, что нам могут потребоваться значительные достижения в области аккумуляторных технологий для создания жизнеспособных и мощных экзоскелетов.

Компания Sarcos, занимающаяся разработкой экзоскелетов, работает над Guardian XO, который может работать при мощности менее 500 Вт (намного меньше, чем у большинства конкурентов) в течение более 8 часов и заменять батареи без отключения экзоскелета.

Материалы и вес

Еще одна серьезная проблема – найти прочные, но легкие материалы, которые не должны работать экзоскелету, чтобы поднимать собственный вес, и при этом быть доступными. Углеродное волокно и аналогичные материалы обычно прочные и достаточно легкие, но довольно дорогие. Сталь, будучи достаточно прочной, часто бывает слишком тяжелой и снижает или разрушает эффективность экзоскелета.

Гибкость суставов и приведение в действие

Наконец, экзоскелет должен как двигаться вместе с человеческим телом, так и обеспечивать силу или поддержку. Это означает, что он должен иметь суставы, соответствующие диапазону движений человеческих конечностей (и позвоночника), а также быть достаточно мощными, чтобы выполнять свою работу. Это сложнее, чем кажется на первый взгляд!

Мягкие экзоскелеты намного лучше жестких экзоскелетов в плане гибкости, но обеспечивают гораздо меньшую поддержку (пока). И есть несколько технологий, которые используются для обеспечения силы суставов. Один интересный пример – пневматическая мышца, которая работает очень аналогично человеческим мышцам, за исключением использования сжатого воздуха.

Будущее работы

По мере того, как экзоскелеты становятся более совершенными, мы, вероятно, увидим, что они станут гораздо более распространенными в нескольких отраслях. Они уже довольно распространены в строительстве, автомобилестроении и сельском хозяйстве, где помогают рабочим поднимать больше и дольше с меньшим риском перенапряжения и других травм.

В других отраслях, в том числе в здравоохранении и военном деле, в ближайшем будущем, вероятно, появятся несколько применений экзоскелетов. Например, экзоскелеты, вероятно, будут использоваться для восстановления функций жертв паралича и травм и улучшения солдат в полевых условиях.