Eksoskelet (fra græsk έξω - eksternt og σκελετος - skelet) - en enhed designet til at kompensere for tabte funktioner, øge menneskets muskelstyrke og udvide bevægelsesområdet på grund af den ydre ramme og drivende dele [1] , samt at overføre belastning ved overførsel af last gennem den ydre ramme ind i støtteplatformen på exoskeletfoden.
Eksoskelettet gentager den menneskelige biomekanik for en proportional stigning i indsatsen under bevægelser. For at bestemme disse proportioner bør begrebet anatomisk parametrisering anvendes.
Anatomisk parametrisering er bestemmelsen af overensstemmelser mellem forskellige anatomiske karakteristika af strukturen af den menneskelige krop og parametrene for en mekanisk enhed, som bestemmer den optimale drift af det resulterende biomekaniske system. [2] [3]
Ifølge åbne presserapporter er der i øjeblikket fungerende modeller blevet skabt i Rusland [4] [5] , Japan , USA [6] og Israel . Eksoskelettet kan indbygges i en rumdragt .
Det første eksoskelet blev udviklet i fællesskab af General Electric og det amerikanske militær i 60'erne og blev kaldt Hardiman . Han kunne løfte 110 kg med den kraft, der blev påført, når han løftede 4,5 kg. Den var dog upraktisk på grund af dens betydelige masse på 680 kg. Projektet lykkedes ikke. Ethvert forsøg på at bruge det fulde eksoskelet endte i intense ukontrollerbare bevægelser, hvilket resulterede i, at det aldrig blev testet med et menneske indeni. Yderligere forskning har fokuseret på den ene side. Selvom hun skulle løfte 340 kg, var hendes vægt 750 kg, hvilket var det dobbelte af løftekapaciteten. Uden at forbinde alle komponenterne sammen var den praktiske anvendelse af Hardiman-projektet begrænset [7] .
ReWalk exoskelettet, udviklet af ReWalk Robotics, tillader lammede mennesker at gå. Det nye system kan ifølge forskerne bruges af patienter i hverdagen [8] .
Eksoskeletter, der er blevet skabt til dato, eller er på et lovende udviklingsstadium, kan klassificeres efter følgende kriterier [9] :
Den mest komplette og moderne klassifikation blev foreslået af professor Vorobyov A. A. og medforfattere (2015) [10]
Den foreslåede klassificering er baseret på flere principper.
Den vigtigste udviklingsretning er den militære brug af eksoskeletoner for at øge mobiliteten af taktiske grupper og enheder, der opererer til fods, ved at kompensere for den fysiske belastning af soldater forårsaget af udstyrets for store vægt. [12] Stigningen i menneskelig mobilitet og hastighed kan også være ledsaget af en stigning i styrken af den, der bruger eksoskeletet.
Integrationen af eksoskelettet i udstyret vil blive ledsaget af dets transformation til et multifunktionelt system. Ud over dets hovedformål kan den udføre funktionerne som en elektrisk generator, batteriopbevaring, en ramme til fastgørelse af panserbeskyttelsesmoduler, telekommunikationsudstyr, forskellige sensorer og transducere, lægning af elledninger og datatransmission. [12] Bemærkelsesværdigt er brugen af eksoskelet strukturelle elementer som et antennesystem til at sende og modtage radiosignaler. [12]
Et andet muligt anvendelsesområde for exoskeletons er at hjælpe tilskadekomne og mennesker med handicap , ældre, som på grund af deres alder har problemer med bevægeapparatet .
Til genoptræning af patienter med underkæbefrakturer blev der udviklet et underkæbeeksoskelet [13] , det har til formål at behandle mandibulardefekter hos patienter med mulighed for at genoprette tyggefunktionen i den tidlige postoperative periode og i genoptræningsstadierne. Denne anordning [14] giver for første gang patienten ikke kun den motoriske aktivitet af underkæben, men kompenserer også for de patologiske kræfter, der følger af brugen af en ekstern fikseringsanordning til knoglefragmenter [15] [16] . Mandibulært eksoskelet på YouTube
Ændringer af exoskeletter, såvel som nogle af deres modeller, kan give betydelig bistand til redningsfolk i analysen af murbrokkerne fra sammenstyrtede bygninger. Samtidig kan eksoskelettet beskytte redningsmanden mod nedfaldende affald.
I dag er en stor hindring for at starte konstruktionen af fuldgyldige exoskeletter manglen på egnede energikilder, der kunne gøre det muligt for maskinen at arbejde selvstændigt i lang tid.
I 1960'erne General Electric udviklede et elektrisk og hydraulisk design kaldet Hardiman, formet som den eksoskeletonlæsser, som løjtnant Ellen Ripley (I filmen " Aliens ") bruger i den sidste kamp mod den fremmede livmoder [17] , men med en vægt på 1.500 pund ( 680, 4 kg) design var ineffektivt.
Der er blevet bygget eksempler på eksoskeletter, men den udbredte brug af sådanne modeller er endnu ikke mulig. Dette er for eksempel Sarcos XOS exoskelettet, som er udviklet på bestilling fra den amerikanske hær. Ifølge pressen var maskinen godt designet, men på grund af manglen på batterier med tilstrækkelig kapacitet måtte demonstrationen udføres i lysnettet (en video med en demonstration findes på YouTube [18] ).
Nogle eksoskeletoner ( Hybrid Assistive Limb , Honda Walking Assist Device) er placeret som enheder til mennesker med muskuloskeletale problemer [19] . Honda Walking Assist Device blev produceret af Honda i tre størrelser - small, medium (vægt 2,8 kg), stor.
Udviklingen af det russiske eksoskelet kaldet ExoAtlet udføres af et team af forskere fra ExoAtlet-projektet, det første russiske medicinske eksoskelet til rehabilitering, social tilpasning og integration af mennesker med nedsatte bevægelsesfunktioner i underekstremiteterne. Ifølge udviklerne er et sådant eksoskelet ikke kun egnet til personer med rygmarvsskade, men også til personer med konsekvenserne af et slagtilfælde. I øjeblikket er der skabt flere fungerende prototyper af produktet. Den seneste modifikation, ExoAtlet Albert, styres med krykker og giver en person mulighed for at gå, sætte sig ned og stå op selvstændigt. Ifølge projektlederne begynder det første salg i 2016.
Active Electric er et aktivt industrielt eksoskelet udviklet af Norilsk Nikkel Digital Laboratory i samarbejde med Southwestern State University (Southwestern State University, Kursk) og Exomed-virksomheden [20] (Kursk). Det industrielle eksoskelet af underekstremiteterne AE er designet til at løfte, bære og holde byrder, samt til at udføre arbejde relateret til et længere ophold i statisk tilstand, bruges til at forhindre skader på arbejdet og forbedrer produktionseffektiviteten [21] [22 ] . Udstyret med et intelligent styresystem til elektriske drev og et sæt indbyggede sensorer, der analyserer miljø, bruger og belastningsparametre. Eksoskelettets modulære design omfatter tyngdekraftskompensatorer og et elektrisk drevet lastløftemodul, som gør det muligt for exoskeletet at tage op til 90 % af lastens vægt med en maksimal bæreevne på op til 60 kg. Eksoskelettet er designet til operatører med en højde på 160 til 195 cm og inkluderer også en indbygget computer, der tillader overvågning i realtid af niveauet af omgivende luftforurening, lufttemperatur, belysning, brugertilstand og andre parametre. Alle data vises på en mobilenhed og kan overføres til et firmanetværk [23] . Et forsøgsparti er i øjeblikket ved at blive testet på virksomheder.
ExoHeaver Lowebacker er et passivt exoskelet af blød type designet til at aflæsse ryggen under lastløftning, lager- og transportarbejde [24] . Designet til at arbejde med belastninger på op til 25 kg, og kan udstyres med et sensorsystem til integration i "smart worker"-systemet. Den har TR TS- og GOST R-certificering og bruges med succes på forskellige virksomheder i Rusland, Kasakhstan og Hviderusland [25] .
ExoHeaver Holdupper er et passivt eksoskelet med en parallel kinematikmekanisme designet til at aflaste brugerens øvre lemmer, når der arbejdes med et tungt værktøj eller en belastning, der vejer op til 20 kg.
XOS 2 er en anden generation af robotdragt udviklet af Raytheon til den amerikanske hær. Virksomheden demonstrerede første gang eksoskelettets evner på sit forskningscenter i Salt Lake City, Utah i september 2010. Robotdragten øger styrken, smidigheden og udholdenheden af soldaten inde i den. XOS 2 bruger et højtryks hydraulisk system, der gør det muligt for bæreren at løfte tunge genstande i forholdet 17:1 (faktisk vægt til opfattet vægt). Dette giver dig mulighed for gentagne gange at løfte byrden uden træthed eller skade.
US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) påbegyndte udviklingen af exoskeletter i 2001 som en del af Exoskeletons for Human Performance Augmentation-programmet. Agenturet har finansieret 50 millioner dollars til forskellige deltagere gennem et femårigt program. Imidlertid er kun to af dem aktivt involveret i udviklingen af eksoskeletprototyper til det amerikanske militær.
XOS-systemet blev oprindeligt udviklet som en Wearable Energeically Autonomous Robot (WEAR) af Sarcos Research fra Salt Lake City, Utah. Udviklingen af den biomekaniske robot begyndte i 2000. Virksomheden, der blev grundlagt i 1983, blev købt af Raytheon i november 2007.
Andengenerations XOS 2 robotdragten bruger et lettere materiale og er omkring 50 % mere effektiv end XOS 1. Eksoskelettet forventes at veje omkring 95 kg. Den bruger en kombination af controllere, sensorer, højstyrke-aluminium og stål for at gøre det muligt for strukturer og aktuatorer at udføre opgaver.
XOS 2-systemet er udstyret med en hydraulisk forbrændingsmotor med elektriske systemer. Prototypen er bundet til en hydraulisk kraftkilde med en wire. Motoren styrer de hydrauliske drev. Forskellige sensorer udstyret i hele systemet bestemmer positionen og den nødvendige kraft.
Et projekt af Panasonics datterselskab , ActiveLink . Påførte eksoskeletoner bruges til at øge styrken af soldaterne; robotbenstøtter kan også hjælpe lammede mennesker med at gå og kan bruges af arbejdere på atomkraftværker og ansatte i ministeriet for nødsituationer i tilfælde af naturkatastrofer.
ActiveLink-dragter er designet, så brugerne kan tage dem på og være oppe at køre på 30 sekunder eller mindre. Drevet exoskeletoner til rehabilitering eller andre medicinske applikationer bruger ofte elektriske muskelaktivitetssensorer, der tager tid at kalibrere.
Hardsuit tillader dykkere at dykke til dybder på 1.000 fod. Eksoskelettet er lavet af A536 aluminiumslegering. Vægt - fra 225 kg. Den maksimale dykketid er 50 timer.
Et produkt fra Solar System Express. RL Mark VI vil tillade nedstigning op til 62 miles (100 km) over jordens overflade i selve kanten af rummet og landing lodret ved hjælp af gyrosøvler i stedet for en faldskærm. Denne dragt vil forbedre sikkerheden og ydeevnen på bemandet rumflyvning, give et middel til at undslippe potentielle katastrofale ulykker og forbedre mulighederne for rumturisme og videnskabelig forskning.
Eidos Montreal og Open Bionics udgiver i fællesskab 3D-printede proteser som en del af en PR-kampagne for Deus Ex: Mankind Divided . Et karakteristisk træk ved proteserne i dette projekt vil være deres lave omkostninger.
Laevo ( Holland ) har udviklet en passiv version af eksoskelettet, der bruger hydrauliske cylindre. Det er designet til at lette udførelsen af logistikoperationer og reducerer den subjektive opfattelse af belastningen med 40-50%. Når torsoen vippes eller sidder på hug, akkumuleres overskydende tryk i exoskeletets hydrauliske cylindre, som frigives, når kroppen vender tilbage til sin oprindelige position, hvilket i dette øjeblik skaber en ekstra indsats for at aflaste de tilsvarende muskler. Produktvægten af V2.4-versionen er 2,5 kg, V2.5-versionen er 2,8 kg. Hydrauliske cylindre er designet til mindst 250 tusinde operationer inden for 3 år. Den omgivende temperatur under drift skal være over nul. Eksoskelettet modtog medicinsk certificering "CE - Medical Device Class I ".
I 2019 præsenterede Volgograd-lægerne Alexander Vorobyov og Fedor Andryushchenko det første eksoskelet for en kirurg, designet til at lette udførelsen af timelange endoskopiske operationer ved at reducere belastningen på kirurgens rygsøjle og hænder. [26] I slutningen af marts blev den første operation udført med dette eksoskelet. [27]
Designet af suitX, også kendt som US Bionics. Direktøren for virksomheden er Homayoon Kazerooni . PHOENIX - er et af de letteste eksoskeletter med en vægt på 12,25 kg. Designet til personer med nedsat bevægeapparat , nemlig til personer, der ikke kan gå på egen hånd. Kørehastigheden er 0,5 m/s, den er udstyret med et genopladeligt batteri med en kontinuerlig strømreserve på op til 4 timer og op til 8 timer med pauser. Den har justerbare størrelser og kan justeres til brugere med forskellige fysik og højder. PHOENIX er udstyret med lårmotorer, der driver eksoskelettets knæled, hvilket giver mulighed for fri bevægelse. Den er designet på en sådan måde, at operatøren ikke mærker dens vægt og er på den. I en kollision med en forhindring kompenserer eksoskelettet for påvirkningen uden at overføre det til ejeren.
Eksoskeletter optræder ofte i science fiction , oftest som militært udstyr - i form af magtpanser eller en kampdragt [28] .
Eksoskeletter eller lignende strukturer bruges af karaktererne fra filmserien " The Matrix " (APU - Armoured Personnel Units), filmene " Avatar ", " Attraktion ", " District No. 9 " (noget mellem et eksoskelet og en rollator ) [28] , " Elysium - Paradise not on Earth ", " Toss of the Cobra ", " Spy Kids 4D ". En af de mest berømte scener forbundet med exoskeletons [28] er vist i filmen " Aliens ", hvor hovedpersonen Ellen Ripley bruger en exoskelet-loader i den sidste kamp mod Alien-dronningen . I filmen " Edge of Tomorrow " kæmper alle krigere i eksoskeletoner. I den animerede serie Echo Platoon er ideen om at bekæmpe flyvende exoskeletons kernen i plottet [28] .