Bionic Humans: Exoskeleton Technology herdefinieert grenzen

Advertentie

In Edge of Tomorrow, een veelgeprezen sciencefictionfilm die deze zomer is uitgebracht, vechten tegen buitenaardse wezens met krachtige exoskeletten die hun kracht, snelheid en behendigheid verbeteren. Op het witte doek, naast explosies en buitenaardse vijanden, lijken de ideeën een Hollywood-uitvinding, maar het is dichter bij de realiteit dan je zou denken.

Exoskeletonderzoek is al meer dan een eeuw aan de gang, wat heeft geresulteerd in een aantal levensvatbare prototypes. Verrassend genoeg richten ze zich echter minder op bovenmenselijke kracht en meer op het verbeteren van uithoudingsvermogen en levenskwaliteit. Onderzoekers in het veld zien de toekomst 4 Technologieën die de wereld kunnen veranderenOp dit moment is het zo'n opwindende tijd om te leven, aangezien wetenschap en technologie de mensheid met zulke ongelooflijke snelheden vooruit helpen. Wie had tien jaar geleden gedacht dat we met één aanraking toegang zouden hebben tot alles ... Lees verder als marathon in plaats van een sprint.

Exo-geschiedenis

Er zijn menselijke exoskeletten verschenen sciencefictionverhalen sin de jaren vijftig, maar het eerste echte exoskelet werd meer dan een halve eeuw eerder uitgevonden door de Russische uitvinder Nicholas Yagn. Ondanks zijn woonland, hij besloot een octrooi in te dienen bij het United States Patent Office in 1890. Hij beschreef zijn uitvinding als:

[…] Een aantal veren aangepast om het gewicht van het hele lichaam te ondersteunen en de daardoor uitgeoefende kracht, samen met de kracht die wordt uitgeoefend door het momentum van een dergelijk eigen gewicht wanneer in beweging. - Nicholas Yagn, uitvinder

Zijn exoskelet gebruikte ook "accumulatoren met gecomprimeerde vloeistof" om energie op te slaan. Volgens Nicholas gaf zijn uitvinding gebruikers een betere mobiliteit en verminderde ze de belasting van rennen en springen op het lichaam. Sorry, steampunk-fans; dit was geen door een tandwiel aangedreven doodsmachine.

Het eerste aangedreven exoskelet, genaamd Hardiman, werd eind jaren zestig ontwikkeld door General Electric. Enorm en bruut, het pak leek veel op de enorme strijdpakken die werden voorgesteld door scifi-auteurs. Het is ontworpen om de kracht van een gebruiker aanzienlijk te vergroten, maar de uitvinders hebben de bedieningselementen en stroomvereisten nooit volledig onder de knie. Zoals vermeld in het eindrapport van het project:

Het man-machine-interfaceprobleem in het Hardiman I-prototype was ernstig. De hoge vermogenswinst, de complexiteit van het meervoudig gelede systeem en de intieme koppeling van mens en machine legden veel ontwerpbeperkingen op en stelden hoge eisen aan bestaande technologie.

Het falen van Hardiman toonde de extreme moeilijkheid aan om een ​​exoskelet te ontwikkelen met de technologie van die tijd. Een andere poging werd pas in de vroege jaren negentig gedaan, toen onderzoekers van Kawasaki aan de Power begonnen te werken Assist Suit [Broken URL Removed], een exoskelet dat is ontworpen om medische professionals te helpen immobiel te bewegen patiënten.

Na de eeuwwisseling deed zich een explosie van nieuwe ontwikkeling voor. Het Japanse bedrijf Cyberdyne introduceerde het HAL-3-exoskeletconcept, Berkeley ontwikkelde een onderlichaam-exoskelet genaamd Bleex om soldaten te helpen zware lasten te dragen over lange afstanden, en Honda heeft een paar onderlichaam-exoskeletten samengesteld, ontworpen voor gedeeltelijk mobiele mensen die anders misschien een wandelstok of wandelaar nodig zouden hebben.

Opstarten

Het mislukte Hardiman-project is het soort pak dat de meeste mensen bedenken wanneer hen wordt verteld zich een exoskelet voor te stellen. Velen van ons herinneren zich beelden uit fictie, zoals het beroemde exoskelet bestuurd door Sigourney Weaver (of liever de stuntman die achter haar verborgen is) in Buitenaardse wezens.

Een enorm exoskelet kan zeker een publiek verbazen, maar het praktische gebruik is beperkt. Accu's hebben nog steeds niet het uithoudingsvermogen dat nodig is om een ​​beestachtige machine gedurende lange tijd aan te drijven, en een groot exoskelet doet niet veel met een vorkheftruck, kraan of ander voertuig. Moderne exoskeletten richten zich op het verbeteren van mensen op praktische manieren die elke dag van pas kunnen komen in verschillende situaties.

Een van de nieuwste ontwerpen is de Human Universal Load Carrier of HULC, een militair exoskelet ontworpen door Lockheed-Martin om de fysieke capaciteiten van soldaten aanzienlijk te verbeteren. Het basisidee, zoals vermeld door programmamanager Jim Ni en gedetailleerd in een bedrijfspersberichtis om het uithoudingsvermogen en de kracht te vergroten en tegelijkertijd het risico op blessures te verkleinen.

Het [HULC] stelt soldaten in staat om dingen te doen die ze vandaag niet kunnen, terwijl het hen helpt te beschermen tegen musculoskeletale letsels. - Jim Ni, programmamanager HULC

Dat klinkt niet veel anders dan de voordelen die Nicholas Yagn meer dan een eeuw geleden claimde voor zijn exoskelet, maar dankzij moderne technologie kunnen onderzoekers het idee beter realiseren. HULC kan soldaten helpen om ladingen tot 200 pond over verschillende terreinen te vervoeren, terwijl het risico op verwondingen die een soldaat in het veld kunnen vertragen, wordt geminimaliseerd. Batterijen voeden het exoskelet, dat meer dan vijftig pond weegt, en de levensduur kan met speciale apparatuur oplopen tot 72 uur.

Maar Lockheed-Martin is niet het enige bedrijf op dit gebied. Raytheon heeft de afgelopen acht jaar de XOS ontwikkeld, die dezelfde rol hoopt te vervullen als de HULC. In tegenstelling tot zijn concurrent bestrijkt de XOS echter een aanzienlijk deel van het onder- en bovenlichaam van de gebruiker. De uitvinders noemen een vergelijkbaar maximaal draagvermogen van ten minste 200 pond, maar de vergroting van de kracht strekt zich uit tot de armen, die met weinig inspanning tot vijftig pond kunnen dragen.

Niet alleen voor soldaten

In Japan is Cyberdyne ondertussen doorgegaan met de ontwikkeling van zijn HAL-5-exoskelet. In tegenstelling tot zijn Amerikaanse collega's is dit apparaat gebouwd voor civiel in plaats van militair gebruik. Het bedrijf onderzoekt verschillende modellen voor gebruik door industriële arbeiders, ramp reactie persoonlijke en medische professionals.

Een model voor de onderste ledematen, ontworpen om mensen met letselgerelateerde mobiliteitsproblemen te helpen revalideren, is goedgekeurd voor gebruik in Europa en wordt gebruikt in klinische onderzoeken. De eerste proef, afgerond in april van dit jaar, suggereert dat het exoskelet een "zeer significante verbetering" geeft aan de mobiliteit tijdens het dragen en, na verloop van tijd, het bewegingsvermogen van dezelfde patiënt verbetert zonder het exoskelet. Slechts acht patiënten maakten echter deel uit van de studie, dus er moet meer worden gedaan om de voordelen van HAL te bevestigen.

Een ander civiel exoskelet dat aandacht krijgt, is de ReWalk, een exoskelet van het onderlichaam dat een rol vervult die lijkt op de HAL. De ReWalk maakt gebruik van beenmotoren met laag vermogen om te helpen bij mobiliteit en biedt een batterij die de hele dag meegaat. In tegenstelling tot de HAL, moet de ReWalk worden gebruikt met wandelstokken, maar hij zit ook verder in zijn ontwikkeling en is in verschillende landen goedgekeurd. De ReWalk kan worden gebruikt voor revalidatie of kan worden gekocht voor persoonlijk gebruik als alternatief voor een rolstoel of elektrische scooter.

Batterijen niet inbegrepen

FORTIS, die dit jaar net begon met testen, is het nieuwste exoskelet van Lockheed-Martin. Hoewel de eerste testronde wordt uitgevoerd door de marine, is dit exoskelet, in tegenstelling tot HULC, alleen bedoeld voor civiel gebruik. Het versterkt het lichaam van de gebruiker en vermindert de belasting van het hanteren van de zware gereedschappen die marine-monteurs vaak gebruiken om schepen te repareren.

Door het FORTIS exoskelet te dragen, kunnen operators het gewicht van die zware gereedschappen gedurende langere tijd met verminderde vermoeidheid vasthouden. - Adam Miller, directeur van nieuwe initiatieven, Lockheed-Martin

Hoewel het geen batterijen heeft, heeft FORTIS indrukwekkende capaciteiten. Het kan gebruikers helpen om moeiteloos tot 36 pond vast te houden. Dat klinkt in het begin misschien niet zo veel, maar onthoud dat monteurs dergelijke gereedschappen elke dag urenlang gebruiken. Elk aanzienlijk gewicht kan na enkele minuten vermoeiend worden. Het exoskelet helpt ook om deze belastingen op de grond over te brengen, waardoor de rug en benen van de gebruiker worden verminderd.

Als dit type exoskelet succesvol blijkt te zijn, kan dit een grote zegen zijn voor bouw- en industriële arbeiders die de hele dag door bescheiden lasten moeten heffen. Werkgerelateerde verwondingen komen nog steeds veel voor op deze gebieden en kunnen in de loop van de tijd de kwaliteit van leven van veteranen op deze gebieden sterk verminderen.

Het gebrek aan kracht van FORTIS vermindert ook de complexiteit en kosten, waardoor het idee beter verteerbaar is voor grootschalige implementatie. Dat gezegd hebbende, is FORTIS nog erg vroeg in zijn ontwikkeling; het werd pas vorige maand aangekondigd. De meeste andere exoskeletprojecten zijn al jaren in ontwikkeling, en in sommige gevallen tientallen jaren, dus dit project heeft nog een lange weg te gaan.

Nog steeds menselijk, maar beter

De focus van het moderne exoskelet is verschoven van het verbeteren van kracht en snelheid naar het verbeteren van het uithoudingsvermogen. In die zin is het doel niet om ons veel sneller of sterker te maken dan voorheen, maar om ons duurzamer te maken en onze levenskwaliteit te verbeteren. Hoewel het niet glamoureus is, is deze aanpak logisch; we overwonnen het heffen van zware lasten met de heftruck.

Letsel en uitputting zijn echter vijanden die we nog moeten verslaan. Een vermoeide, gewonde soldaat vertraagt ​​waarschijnlijk zijn hele eenheid en kan minder goed reageren op bedreigingen, en een schatting uit 2013 die werd gevonden tijdens het werk alleen al in de Verenigde Staten tot 250 miljard dollar per jaar. Het verminderen van spanning en het vergroten van het uithoudingsvermogen kan iedereen ten goede komen, van infanterie in de strijd tot gezondheidswerkers patiënten tussen bedden verplaatsen, dus we zullen waarschijnlijk zien dat exoskeletten deze nieuwe aanpak de komende tijd zullen voortzetten decennium. Exoskeletten geven ons geen bovenmenselijke kracht of een verbluffende snelheid - althans niet snel. Maar ze zullen ons helpen langer en beter te leven Hoe technologie de menselijke evolutie kan beïnvloedenEr is geen enkel aspect van de menselijke ervaring dat niet is aangeraakt door technologie, inclusief ons lichaam zelf. Lees verder .

Afbeelding tegoed: Lockheed Martin, Cyberdyne