Больше возможностей благодаря экзоскелетам и бионике

Когда дело доходит до структур, поддерживающих силу, выносливость и другие физические аспекты человека, наше воображение стимулировали такие фильмы, как «Чужой» (1) или «Аватар». Увиденные там экзоскелеты открывают фантастические возможности на работе и в бою. Когда мы увидели кинотворения, мы мечтали о чем-то подобном и очень хотели чего-то подобного…

1. Экзоскелет из фильма «Чужой»

Руководство японской Sumitomo Mitsui Banking Corporation, обеспокоенное признаками физических трудностей, с которыми сталкиваются их сотрудники, особенно пожилые (2) — поскольку обращение с тяжелыми банкнотами или монетами в больших количествах влияет на здоровье — решило отреагировать.

Он предложил экипажу экзоскелеты, предназначенный для уменьшения ощутимого веса переносимых предметов до 40%. Пока это только пилотная программа для небольшой группы людей, но если она окажется успешной, корпорация планирует распространить ее на все свои сайты. Ведь 16% сотрудников Sumitomo (и 25% всех сотрудников в Японии) старше 65 лет.

В прошлом году американский концерн Lockheed Martin начал испытания экзоскелета FORTIS, позволяющего без особых усилий поднимать 16 кг. Почти в то же время мир узнал, что рабочие, оснащенные экзоскелеты дающий сверхчеловеческую силу.

2. Помощь работнику, перевозящему различные грузы

Конструкции были испытаны на верфи Okpo-dong, принадлежащей ведущему мировому производителю судов. Экзоскелет для рабочего (3) — корейская конструкция из углеродного волокна, алюминиевых сплавов и стали — весит в сумме 28 кг, но человек, на который она надевается, веса не ощущает.

3. Экзоскелет для работника верфи

Сама конструкция опирается не на землю, и нагрузка передается металлическим каркасом, а не телом пользователя. Система не мешает рабочему ходить в нормальном темпе. Однако он позволяет поднимать тяжести до 30 кг. Аккумулятора хватает на три часа работы. В настоящее время ведутся работы по совершенствованию системы и внесению исправлений.

Необходимые улучшения включают, среди прочего, Передвигаясь по наклонным и скользким поверхностям и совершая вращательные движения — экзоскелеты, а точнее одетые в них рабочие, с этими задачами еще плохо справляются.

Долгосрочная цель конструкторов — построить такую ​​опору, которая позволила бы поднимать 100 кг, но сначала они хотели бы увидеть свои работы в нормальных судостроительных работах.

Мы легко можем поднять даже 50 кг в костюме, разработанном в Токийском научном университете (4). Он был представлен в 2013 году на выставке CEATEC, хотя первое упоминание об экзоскелете на основе искусственных мышц относится к 2009 году. Секрет прочности, скрытой в относительно легкой конструкции, кроется в пневматически подкрепленных «мускулах» плеч устройства.

4. Экзоскелет из Токийского научного университета

5. Костюм Egzoszkielet Assist AWN-03 фирмы Mitsui

Они ни в коем случае не являются прототипом. Этот гидроусилитель руля производится компанией Kanda Tsushin. Конструкторы из университета объединили пневматику с электрическими контроллерами и напорными баками в небольшом рюкзаке. Ассистент работает на спине, плечах и локтях. В августе 2015 года Mitsui, крупнейшая горнодобывающая компания Японии, представила миру свою первую прототип экзоскелета.

Устройство получило название Assist Suit AWN-03(5) и было разработано в сотрудничестве с ActiveLink и Panasonic. При весе 6 кг машина позволяет рабочему, несущему ее, поднимать вес 15 кг без каких-либо физических усилий. В течение первого года производства компания намерена продать около XNUMX устройств. Уже ведутся работы по обогащению проекта гораздо более крупными и сильными конечностями.

Томоя Цуцуми из Mitsui открыто признает, что дизайнеры вдохновлялись мощным транспортный экзоскелет показано в фильме «Чужие». В течение следующих двух лет этот скромный экзоскелет будет заключен в гораздо более мощную конструкцию, позволяющую разгрузить ноги и руки оператора до такой степени, что они станут почти только контроллерами.

Лишние руки и стул всегда … носить

Носить с собой стул, чтобы вы могли сидеть и отдыхать в течение напряженного дня, кажется хорошей идеей, если не практичной. Однако Chairless Chair — это совершенно другая концепция. По сути, это экзоскелет, который человек носит постоянно (6).

Когда он хочет сесть, он наклоняется в подходящую, удобную позу, нажимает на кнопку и конструкция замирает, становясь сиденьем. Кит Гунура, глава швейцарской компании, которая хочет производить портативные устройства кресла-экзоскелеты, CNN сообщил, что конструкция изготовлена ​​из алюминия и углеродного волокна, а весит она 1,8 кг.

Для его работы еще нужна шестивольтовая батарейка, которой хватит на сутки. Gunury, noonee, хочет предложить отрасли носимые стулья, так как считает, что это может стать идеальным решением для рабочих сборочных цехов. Когда они смогут откинуться назад в удобном сидячем положении, они будут меньше уставать от работы, что должно увеличить

их производительность. Переносное сиденье должно пройти испытания на заводах BMW и Audi. Не все виды использования машин, повышающие производительность человека, обязательно связаны с работой или компенсацией возраста и инвалидности. Например, вы можете использовать руку робота, чтобы нарисовать картину.

При этом для управления художественными действиями машины достаточно лишь моргнуть и взглянуть на ее человека-«хранителя». Доктор Альдо Фейсал с факультета компьютерных наук и биоинженерии Имперского колледжа Лондона продемонстрировал эффективную систему, которая позволяет человеку манипулировать механической рукой, используя только глаза (7).

7. Покраска с помощью робота

Он предположил, что это может заложить основу для новой эры, основанной на достижениях в области многозадачной робототехники. Используя технологию, которая отслеживает взгляд пользователя, робот может получать и интерпретировать ряд команд, даже таких, как «очистить кисть» или «подготовить другой цвет».

Видимо, когда машинка держит кисть, пропитанную краской, рисование становится предельно интуитивным. Например, чтобы нарисовать линию, вам нужно только посмотреть на начальную точку, а затем на конечную точку. Трехкратное моргание включает режим выбора цвета, в котором кисть перемещается над палитрой заранее подготовленных красок, и просто взглянув на нужный цвет, дает роботу указание.

 Как утверждает Фейсал, это введение в технологию, которая позволит человеку иметь «дополнительные руки», на отсутствие которых мы так часто жалуемся. И это, вероятно, будет большим подспорьем для людей с ограниченными возможностями.

Солдаты будущего

Еще в 60-х годах военные США разработали первые концепции экзоскелетов для солдат, но по разным причинам эти работы не вышли за теоретические рамки. Наиболее важным барьером была технология, которая в то время не подходила для создания устройств такого типа. Только миниатюризация микропроцессоров и создание биоэлектрических сенсоров, реагирующих на мышечные импульсы, позволили создать такие структуры.

В 2000 году американское агентство DARPA (Defense Advenced Research Projetcs Agency) запустило программу под названием «Экзоскелеты увеличения возможностей человека», которая, помимо переноски тяжелых предметов, должна была позволить солдатам эвакуировать до двух раненых и прыгать на большие высоты.

 В настоящее время военные экзоскелеты бывают нескольких разновидностей. Пока протестировано три основных типа, которые после усовершенствования можно будет использовать в дальнейшем на поле боя:  

8. Экзоскелет нижних конечностей Беркли

• BLEEX (Berkeley Lower Extremity EXoskeleton) (8) — создан в 2004 году на факультете машиностроения Калифорнийского университета, в лаборатории робототехники и инженерии человека, Беркли. экзоскелет состоит из сорока частей, включая гидроцилиндры и датчики.  

  Его цель — разгрузить бедро и нижние конечности пользователя, что делается с помощью компьютера, который анализирует движения тела, напряжение мышц и вес, который затем равномерно распределяется. В результате можно перевозить грузы до 80 кг. Человек становится неотъемлемой частью брони;

• XOS1 и XOS2 (9) — разработаны по той же программе, что и BLEEX, командой Стивена Якобсена в сотрудничестве с его компанией Sarcoz из Солт-Лейк-Сити. Поднятие в нем предмета массой 6 кг стоит человеку таких усилий, как с 1 кг. XOS1 имеет снаряженную массу 68 кг, что позволяет поднимать вес до 90 кг. Работает от 30 до 45 минут.

  Он состоит из тридцати исполнительных механизмов, координируемых «интеллектуальным» устройством, плавно отслеживающим поведение тела. На основе опыта XOS1 была разработана усовершенствованная модель XOS2, в которой отмечено значительное улучшение индекса физической подготовки солдата. Оно составляет 17:1, а это значит, что подъем предмета массой 95 кг требует столько же усилий, сколько подъем 5,5 кг; 

• HULC (Human Universal Load Carrier) — создан в 2008 году инженерами Berkeley Bionics, Лаборатории робототехники и инженерии человека Департамента машиностроения Калифорнийского университета в Беркли. С 2009 года его разрабатывает компания Lockheed Martin, владелец лицензии. Он проходит испытания для нужд армии США в сотрудничестве с NSR-DEC (Natick Soldier Research Development and Engineering Center).

  9. Военный экзоскелет XOS2

  10. Наручный экзоскелет — MAXFAS — повышение точности выстрелов

Несколько лет назад Командование сил специального назначения США, сокращенно SOCCOM, инициировало программу разработки силовой брони для операторов сил специального назначения под названием TALOS, которая продолжается и по сей день. Это аббревиатура от названия Tactical Assault Light Operator Suit, который представляет собой комбинацию экзоскелета, системы связи и «жидкой брони».

Научиться правильно стрелять — это, как правило, тяжелая и ответственная работа. Однако вскоре технологии могут прийти на помощь и здесь. Результатом работы американских исследователей является MAXFAS — ручной экзоскелет, используя активируемые шнуром протекторы, которые корректируют непроизвольные толчки конечностей (10). Таким образом, он работает так же, как, например, стабилизатор цифровой камеры.

11. Легкий экзоскелет Soft Exosuit

MAXFAS сделан из углеродного волокна и автоматически запоминает разницу между сознательным движением (например, при прицеливании) и движением, которое необходимо подавить. Этот тип техники будет полезен, например, при обучении новобранцев и вообще людей, которым необходимо повысить свою квалификацию. В ходе первых испытаний было установлено, что люди

кто уже имел дело с MAXFAS стрелял лучше даже после снятия бустера. Также поговаривают о мобильной версии, которая добавила бы солдатам эффективности на реальном поле боя. Мягкий экзокостюм (11) в свою очередь экзоскелетКакой солдат сможет надеть и пользоваться преимуществами «дополнительной мощности» без лишней ноши?

Это выяснится в ходе полевых испытаний. На данный момент «носимый робот», созданный Институтом Висса в Гарварде и финансируемый DARPA, представлен как «самый легкий из доступных». Создатели называют его так потому, что это система рычагов и шарниров, размещенных на конечностях и туловище, а не что-то, во что вам придется входить, как это имеет место в большинстве известных до сих пор конструкций этого типа.

Предпосылка Soft Exosuit также состоит в том, чтобы максимально затруднить движение. Исследователи из Гарварда сравнивают его с надетыми «штанами», центральная точка веса которых находится на талии. Мягкий экзокостюм, по крайней мере, в той версии, которая была представлена, используется не для поднятия тяжестей, а скорее для поддержки ног при ходьбе, поэтому его могли использовать и люди с ограниченными возможностями.

В космос

Создатели экзоскелетов также рассматривают возможность использования их космонавтами — пока в качестве поддерживающих обучение машин. Такое устройство уже разрабатывается в НАСА в сотрудничестве с Флоридским институтом человеческого и машинного познания и океанических космических систем из Техаса. Разгибая ноги и туловище, X1 (12) имеет десять суставов, четыре из которых.

Основная задача роботизированного костюма массой 26 кг отличается от его земных предшественников. Вместо того, чтобы усиливать движения пользователя, он сопротивляется им, позволяя телу тренироваться в невесомом состоянии. X1 будет использоваться для обучения астронавтов на Международной космической станции. Скелет также может измерять и отправлять данные о состоянии тренирующегося организма врачам на Землю. Однако X1 будет не просто так. тренировочный экзоскелет.

Когда вы переключите его в режим «Усиление силы», то — в сочетании со скафандром — он поможет космонавтам в тяжелой работе. Конструкция позволит вам ходить даже по неровной местности (помните, что НАСА все еще думает о миссии на Марс). Конструкторы уверяют, что X1 найдет множество применений и на Земле, например, для перевозки тяжелых предметов.

Виртуальные способности

Еще один путь развития технология экзоскелета заключается в использовании их в мире виртуальной реальности. Они дадут возможность взаимодействовать с объектами, созданными машинами — это очень специфические новые способности. В 2013 году на Kickstarter появилась кампания ARAIG по финансированию экзоскелета для геймеров (13), который предоставил бы им полный набор сенсорных ощущений во время виртуальных действий, в которых они участвуют.

Если пуля попадает герою в туловище, игроку это обязательно нужно почувствовать. Динамики (включая сабвуфер) также встроены. Чтобы виртуальная реальность давала ощущения, максимально приближенные к оригиналу, она должна воздействовать на все органы чувств. Зрение и слух являются само собой разумеющимся в доступных устройствах.

Доставка аромата не кажется невыполнимой задачей. Вкус тоже, вероятно, технологически достижим, хотя и нужен лишь в некоторых случаях. А прикосновение? Здесь сложнее, но, возможно, Dexmo — модель экзорциста — позволит «трогать» и чувствовать под пальцами виртуальные объекты (14).

13. Испытания прототипа экзоскелета ARAIG

Известные технологии и прототипы «виртуального прикосновения» обычно сводятся к генерации вибраций или других простых сигналов, ощущаемых под пальцами. Dexmo, по крайней мере, по описаниям, создает впечатление стойкости к поверхности, к которой прикасаются. Пользователь должен чувствовать при прикосновении к объекту.

Сопротивление пальцам реально, потому что v экзоскелет встроена сложная система тормозов, останавливающая их в нужный момент. В результате, благодаря программному обеспечению и тормозам, каждый палец останавливается в несколько иной точке виртуального объекта, как если бы они остановились на поверхности реального объекта, например мяча.

Супер мышцы

Однако постепенно мы идем глубже — за пределы структур, которые мы накладываем на себя, или мы входим в них. Теперь вместо того, чтобы тренировать мышцы, мы можем захотеть их имплантировать… Конечно, не обычные мышцы, а супермышцы, увеличивающие силу не меньше, чем механические. экзоскелет, и даже больше.

Два года назад появилась информация о том, что ученые создали искусственные мышцы, которые в тысячу раз сильнее, чем мышцы среднего человека. Все благодаря использованию диоксида ванадия в качестве основного строительного материала. Это соединение — одно из немногих, которое ведет себя как изолятор при низких температурах и становится проводником после превышения 67°С.

Когда материал нагревается, образующие его атомы немедленно сжимаются в одном измерении и одновременно растягиваются в двух других. Используя это явление, ученые создали микроскопическую катушку, которая действует как мышца, способная отбрасывать от себя предмет в 50 раз тяжелее на расстояние, в пять раз превышающее его длину. Самое интересное, что весь процесс занимает всего 60 мс (миллисекунд).

Искусственные мышцы на основе диоксида ванадия чрезвычайно прочны. В лабораторных испытаниях им удалось сжаться и разложиться миллион раз без каких-либо сбоев! Так что, вероятно, внутри скоро будет построен более сильный человек. А приставка «экзо» может и вовсе потерять свое значение.