Bioniske mennesker: Exoskeleton Technology definerer grenser

Annonse

I Edge of Tomorrow, en kritikerrost science fiction-film som ble utgitt i sommer, og kjemper soldater mot romvesener med drevne eksoskeletter som forbedrer deres styrke, hastighet og smidighet. På sølvskjermen, sammen med eksplosjoner og andre verdens fiender, virker ideene som en Hollywood-oppfinnelse - men det er nærmere virkeligheten enn du skulle tro.

Eksoskelettforskning har vært i gang i over et århundre, noe som resulterer i en rekke levedyktige prototyper. Overraskende fokuserer de imidlertid mindre på supermenneskelig styrke og mer på å forbedre utholdenhet og livskvalitet. Det ser forskere på feltet fremtiden 4 teknologier som kan forandre verdenAkkurat nå er en så spennende tid å være i live, ettersom vitenskap og teknologi sårer menneskeheten fremover med så utrolige priser. Hvem hadde trodd for ti år siden at vi ville ha en berørt tilgang til alle ... Les mer som et maraton i stedet for en sprint.

Exo-historie

Menneskelige eksoskeletter har dukket opp i science fiction historier s

i 1950-årene, men det første virkelige eksoskelettet ble oppfunnet over et halvt århundre tidligere av den russiske oppfinneren Nicholas Yagn. Til tross for hjemlandet, han bestemte seg for å inngi patent hos USAs Patent Office i 1890. Han beskrev sin oppfinnelse som:

[...] et antall fjærer tilpasset vekten av hele kroppen og lagrer og akkumulerer kraft utøvet derved, sammen med kraften som utøves av momentumet av en slik dødvekt når den er i bevegelse. - Nicholas Yagn, oppfinner

Eksoskjelettet hans brukte også "komprimerte væskeakkumulatorer" for å lagre energi. I følge Nicholas ga oppfinnelsen brukerne bedre bevegelighet og reduserte belastningen med å løpe og hoppe på kroppen. Beklager, steam-punk fans; dette var ingen girdrevet dødsmaskin.

Det første drevne eksoskjelettet, kalt Hardiman, ble utviklet av General Electric på slutten av 1960-tallet. Massiv og brutal, drakten lignet på de massive kampdraktene som sci-fi-forfattere hadde sett for seg. Den ble designet for å forsterke en brukers styrke betydelig, men oppfinnerne spikret aldri helt kontrollene og strømbehovene. Som det fremgår av prosjektets sluttrapport:

Problemet mellom man-maskinen og grensesnittet i Hardiman I-prototypen har vært alvorlig. Den høye effektgevinsten, kompleksiteten i det flerleddede systemet og den intime koblingen av mannen og maskinen stilte mange designbegrensninger og stilte store krav til eksisterende teknologi.

Svikt av Hardiman demonstrerte den ekstreme vanskeligheten med å utvikle et eksoskjelett med den tids tids teknologi. Et annet forsøk ble ikke gjort før på begynnelsen av 1990-tallet, da forskere ved Kawasaki begynte arbeidet med makten Assist Suit [Broken URL Removed], et eksoskjelett designet for å hjelpe medisinsk fagfolk til å bevege seg ubevegelig pasienter.

En eksplosjon av ny utvikling skjedde etter århundreskiftet. Det japanske selskapet Cyberdyne introduserte HAL-3 eksoskelett-konseptet, Berkeley utviklet et eksoskelett underkroppen kalt Bleex for å hjelpe soldater med å bære tung belastning over lange avstander, og Honda har satt sammen et par underkropps-eksoskeletter designet for delvis mobile mennesker som ellers kan trenge stokk eller rullator.

Slår på

Det mislykkede Hardiman-prosjektet er den typen dress de fleste tenker på når de får beskjed om å forestille seg et eksoskjelett. Mange av oss husker bilder fra fiksjon, for eksempel det berømte eksoskjelettet som ble pilotert av Sigourney Weaver (eller rettere sagt, stuntmannen gjemt bak henne) i Romvesener.

Et massivt eksoskjelett kan sikkert vekke et publikum, men dets praktiske bruk er begrenset. Batterier mangler fremdeles den utholdenheten som trengs for å drive en dyr maskine i lange perioder, og et stort eksoskjelett gjør ikke mye gaffeltruck, kran eller annet kjøretøy allerede kan oppnå. Moderne eksoskeletter fokuserer på å styrke mennesker på praktiske måter som kan være nyttige hver dag i en rekke situasjoner.

En av de nyeste designene er Human Universal Load Carrier, eller HULC, et militært eksoskjelett designet av Lockheed-Martin for å styrke soldatenes fysiske evner sterkt. Den grunnleggende ideen, som oppgitt av programleder Jim Ni og beskrevet i en pressemelding fra selskapet, er å øke utholdenhet og styrke, samtidig som du reduserer risikoen for skader.

Det [HULC] gjør det mulig for soldater å gjøre ting de ikke kan gjøre i dag, samtidig som de hjelper til med å beskytte dem mot muskel- og skjelettskader. - Jim Ni, HULC-programleder

Det høres ikke så veldig ut fra fordelene Nicholas Yagn hevdet for sitt eksoskjelett for over hundre år siden, men moderne teknologi gjør at forskere bedre kan realisere ideen. HULC kan hjelpe selgere med å bære belastninger på opptil 200 pund over forskjellige terreng og samtidig minimere risikoen for skader som kan bremse en soldat i feltet. Batterier driver eksoskjelettet, som veier over 50 kilo, og levetiden kan vare opptil 72 timer med spesialutstyr.

Men Lockheed-Martin er ikke det eneste selskapet på dette feltet. Raytheon har brukt de siste åtte årene på å utvikle XOS, som håper å fylle samme rolle som HULC. I motsetning til konkurrenten, dekker XOS imidlertid en betydelig del av brukerens under- og overkropp. Oppfinnerne siterer en lignende maksimal bæreevne på minst 200 pund, men styrkingens styrke strekker seg til armene, som kan romme opptil femti pund med liten anstrengelse.

Ikke bare for soldater

I Japan har Cyberdyne fortsatt utviklet HAL-5-eksoskjelettet. I motsetning til sine amerikanske jevnaldrende, er denne enheten bygget for sivilt og ikke for militær bruk. Selskapet forsker på flere modeller for bruk av industriarbeidere, katastrofeaksjon personlige og medisinske fagpersoner.

En underekstremodell designet for å hjelpe rehabilitere mennesker med skaderelaterte mobilitetsproblemer er godkjent for bruk i Europa og brukes i kliniske studier. Den første rettsaken, fullført i april i år, antyder at eksoskjelettet gir en "svært betydelig forbedring" av bevegelighet når den er slitt, og også med tiden forbedrer den samme pasientens evne til å bevege seg uten eksoskjelettet. Bare åtte pasienter var en del av studien, men det må gjøres mer arbeid for å bekrefte HALs fordeler.

Et annet sivilt eksoskelett som får oppmerksomhet er ReWalk, et eksoskjelett i underkroppen som passer til en rolle som ligner på HAL. ReWalk bruker benkraftmotorer med lite kraft for å hjelpe til med mobilitet, samtidig som de tilbyr batterilevetid hele dagen. I motsetning til HAL, må ReWalk brukes med stokk, men den er også videre i utviklingen og er godkjent i flere land. ReWalk kan brukes til rehabilitering eller kan kjøpes til personlig bruk som et alternativ til rullestol eller scooter.

Batterier er ikke inkludert

FORTIS, som nettopp begynte å teste i år, er Lockheed-Martins nyeste eksoskjelett. Selv om den første testningsrunden utføres av marinen, er dette eksoskjelettet, i motsetning til HULC, kun ment for sivilt bruk. Det forsterker brukerens kropp, og reduserer belastningen med å håndtere tunge verktøy Navy mekanics ofte bruker for å reparere skip.

Ved å bruke FORTIS eksoskjelett kan operatører holde vekten til de tunge verktøyene i lengre perioder med redusert utmattethet. - Adam Miller, direktør for nye initiativer, Lockheed-Martin

Selv om det mangler batterier, har FORTIS imponerende evner. Det kan hjelpe brukere med å holde opptil 36 kilo "uanstrengt." Det høres kanskje ikke ut som mye i begynnelsen, men husk at mekanikere bruker slike verktøy i timevis hver dag. Enhver betydelig vekt kan bli slitsom etter noen minutter. Eksoskjelettet hjelper deg også med å overføre disse belastningene til bakken, og reduserer belastningen på brukerens rygg og ben.

Denne typen eksoskjeletter, hvis det skulle vise seg vellykket, kan være en stor velsignelse for bygg- og industriarbeidere som må løfte beskjedne belastninger gjentatte ganger gjennom dagen. Arbeidsrelaterte skader er fremdeles vanlige i disse feltene, og over tid kan det redusere livskvaliteten for veteraner i disse feltene.

FORTIS 'mangel på kraft reduserer også kompleksiteten og kostnadene, noe som gjør ideen mer velsmakende for breddistribusjon. Men når det er sagt, er FORTIS fortsatt veldig tidlig i sin utvikling; den ble først kunngjort i forrige måned. De fleste andre eksoskelettprosjekter har vært i utvikling i mange år, og i noen tilfeller flere tiår, så dette prosjektet har fremdeles en vei å gå.

Fortsatt menneskelig, men bedre

Fokuset for det moderne eksoskjelettet har endret seg fra å styrke styrke og hastighet til å styrke utholdenhet. I denne forstand er målet ikke å gjøre oss langt raskere eller sterkere enn før, men i stedet å gjøre oss mer holdbare og forbedre livskvaliteten. Selv om det ikke er glamorøst, gir denne tilnærmingen mening; vi erobret å løfte tunge laster med gaffeltrucken.

Skader og utmattelse er imidlertid fiender vi ennå ikke har tapt. En sliten, skadet soldat vil sannsynligvis bremse hele enheten og er mindre i stand til å svare på trusler, og et estimat fra 2013 funnet skader på jobben koster opptil 250 milliarder dollar årlig i USA alene. Å redusere belastningen og øke utholdenheten kan være til fordel for alle fra infanteri i kamp til helsepersonell flytte pasienter mellom senger, så vi vil sannsynligvis se at eksoskjeletter fortsetter denne nye tilnærmingen fremover tiår. Eksoskeletter gir oss ikke supermenneskelig styrke eller lynrask hastighet - i hvert fall ikke snart. Men de vil hjelpe oss å leve lengre og bedre liv Hvordan teknologi kan påvirke menneskelig utviklingDet er ikke et eneste aspekt av den menneskelige opplevelsen som ikke har blitt berørt av teknologi, inkludert kroppene våre. Les mer .

Bildekreditt: Lockheed-Martin, Cyberdyne