Bioniske menneskers eksoskelet-teknologi omdefinerer grænser

I Edge of Tomorrow, en kritikerrost science fiction-film, der blev udgivet i sommer, kæmper soldater med udlændinge med drevne eksoskeletter, der forbedrer deres styrke, hastighed og smidighed. På sølvskærmen, sammen med eksplosioner og andre verdens fjender, virker ideerne som en Hollywood-opfindelse - men det er tættere på virkeligheden, end du ville tro.

Exoskeleton-forskning har været i gang i over et århundrede, hvilket har resulteret i en række levedygtige prototyper. Dog overraskende fokuserer de mindre på supermenneskelig styrke og mere på forbedring af udholdenhed og livskvalitet. Forskere på området ser fremtiden 4 teknologier, der kan ændre verden 4 teknologier, der kunne ændre verden Lige nu er et så spændende tidspunkt at være i live, da videnskab og teknologi skader menneskeheden fremad med så utrolige priser. Hvem ville have troet for ti år siden, at vi havde en enkelt adgang til alle ... som et maraton i stedet for en sprint.

Exo-Historie

Menneskelige eksoskeletter er vist i science fiction-historier siden 1950'erne, men det første virkelige eksoskelet blev opfundet over et halvt århundrede tidligere af den russiske opfinder Nicholas Yagn. På trods af sit hjemland besluttede han at indgive et patent hos De Forenede Staters Patentkontor i 1890. Han beskrev sin opfindelse som:

[…] Et antal fjedre tilpasset til at understøtte vægten af ​​hele kroppen og opbevare og akkumulere den kraft, der udøves derved, sammen med den magt, der udøves af momentumet af en sådan dødvægt, når de er i bevægelse. - Nicholas Yagn, opfinder

Hans eksoskelet brugte også “akkumulatorer med komprimeret væske” at lagre energi. Ifølge Nicholas gav hans opfindelse brugerne bedre mobilitet og reducerede belastningen med at løbe og hoppe på kroppen. Undskyld, steam-punk fans; dette var ingen geardrevet dødsmaskine.

Den første drevne eksoskelet, kaldet Hardiman, blev udviklet af General Electric i slutningen af ​​1960'erne. Dragten var massiv og brutal, ligesom de massive kampdragter, som sci-fi-forfattere havde forestillet sig. Det var designet til at forstærke en brugers styrke væsentligt, men dets opfindere spikede aldrig helt ned kontrollerne og strømkravene. Som det fremgår af projektets slutrapport:

Problemet med man-maskine-interface i prototypen Hardiman I har været et alvorligt. Den høje effektforøgelse, kompleksiteten af ​​det flerleddede system og den intime kobling af manden og maskinen påførte mange designbegrænsninger og stillede store krav til eksisterende teknologi.

Hardimans fiasko demonstrerede den ekstreme vanskelighed med at udvikle et eksoskelet med den æra teknologi. Et andet forsøg blev ikke gjort før i begyndelsen af ​​1990'erne, da forskere ved Kawasaki begyndte at arbejde på Power Assist Suit, et eksoskelet designet til at hjælpe medicinske fagfolk med at bevæge immobile patienter.

En eksplosion af ny udvikling skete efter århundredeskiftet. Det japanske firma Cyberdyne introducerede HAL-3-eksoskelet-konceptet, Berkeley udviklede et underkroge-eksoskelet kaldet Bleex for at hjælpe soldater med at bære tunge belastninger over lange afstande, og Honda har sammensat et par underkrops-eksoskeletter designet til delvist mobile mennesker, som ellers måske har brug for en sukkerrør eller rullator.

Tændt

Det mislykkede Hardiman-projekt er den slags dragt, som de fleste mennesker tænker på, når de bliver bedt om at forestille sig et exoskelet. Mange af os husker billeder fra fiktion, såsom det berømte eksoskelet, der blev piloteret af Sigourney Weaver (eller rettere sagt, stuntmanden skjult bag hende) i Aliens.

Et massivt eksoskelet kan helt sikkert vække et publikum, men dets praktiske anvendelse er begrænset. Batterier mangler stadig den udholdenhed, der er nødvendig for at kunne drive en dyr maskine i lange perioder, og et stort exoskelet gør ikke meget, en gaffeltruck, kran eller andet køretøj kan ikke allerede nå. Moderne eksoskeletter fokuserer på at styrke mennesker på praktiske måder, der kan bruges hver dag i forskellige situationer.

Et af de nyeste design er Human Universal Load Carrier, eller HULC, et militært exoskelet designet af Lockheed-Martin til i høj grad at styrke de fysiske evner hos soldater. Den grundlæggende idé, som anført af programleder Jim Ni og beskrevet i en virksomheds pressemeddelelse, er at øge udholdenhed og styrke og samtidig mindske risikoen for skader.

Det [HULC] gør det muligt for soldater at gøre ting, de ikke kan gøre i dag, mens de hjælper med at beskytte dem mod muskuloskeletale skader. - Jim Ni, HULC-programleder

Det lyder ikke meget forskelligt fra fordelene, som Nicholas Yagn hævdede for sit eksoskelet for over et århundrede siden, men moderne teknologi betyder, at forskere bedre kan realisere ideen. HULC kan hjælpe sælgere med at bære belastninger på op til 200 pund over forskellige terræn samtidig med at minimere risikoen for kvæstelser, der kan bremse en soldat i marken. Batterier driver eksoskelettet, der vejer over 50 kg, og levetiden kan vare op til 72 timer med specielt udstyr.

Men Lockheed-Martin er ikke det eneste firma på dette område. Raytheon har brugt de sidste otte år på at udvikle XOS, der håber at udfylde den samme rolle som HULC. I modsætning til sin konkurrent dækker XOS dog en betydelig del af brugerens under- og overkrop. Dens opfindere citerer en lignende maksimal bæreevne på mindst 200 pund, men styrkelsen af ​​styrken strækker sig til armene, som kan rumme op til 50 pund med lidt indsats.

Ikke kun for soldater

I Japan har Cyberdyne i mellemtiden fortsat udviklingen af ​​sit HAL-5-eksoskelet. I modsætning til sine amerikanske kammerater er denne enhed bygget til civile snarere end militær brug. Virksomheden undersøger flere modeller til brug for industriarbejdere, personlige og medicinske fagfolk inden for katastrofeberedskab.

En model til underekstremiteter, designet til at hjælpe med at rehabilitere mennesker med skaderelaterede mobilitetsproblemer, er godkendt til brug i Europa og bruges i kliniske forsøg. Den første forsøg, afsluttet i april i år, antyder, at eksoskelettet giver en “yderst betydelig forbedring” til mobilitet, når den bæres og forbedrer også med tiden den samme patients evne til at bevæge sig uden eksoskelettet. Kun otte patienter var en del af undersøgelsen, men der skal derfor gøres mere arbejde for at bekræfte HALs fordele.

Et andet civilt eksoskelet, der får opmærksomhed, er ReWalk, et underkropsskelet, der passer til en rolle, der ligner HAL. ReWalk bruger benkraftmotorer med lav effekt til at hjælpe med mobilitet og samtidig tilbyde batteriets levetid hele dagen. I modsætning til HAL skal ReWalk bruges med sukkerrør, men den er også længere med i dens udvikling og er godkendt i flere lande. ReWalk kan bruges til rehabilitering eller kan købes til personlig brug som et alternativ til en kørestol eller drevet scooter.

Batterier medfølger ikke

FORTIS, der lige begyndte at teste i år, er Lockheed-Martins nyeste exoskelet. Selvom den første testrunde gennemføres af marinen, er dette eksoskelet, i modsætning til HULC, kun beregnet til civilt brug. Det styrker brugerens krop, hvilket reducerer belastningen med at håndtere de tunge værktøjer, som marinemekanik ofte bruger til at reparere skibe.

Ved at bære FORTIS-eksoskelettet kan operatører holde vægten på disse tunge værktøjer i længere perioder med reduceret træthed. - Adam Miller, direktør for nye initiativer, Lockheed-Martin

Selvom det mangler batterier, har FORTIS imponerende evner. Det kan hjælpe brugere med at holde op til 36 pund “ubesværet.” Det lyder måske ikke som meget i starten, men husk, at mekanikere bruger sådanne værktøjer i timevis hver dag. Enhver væsentlig vægt kan blive trættende efter et par minutter. Exoskelettet hjælper også med at overføre disse belastninger til jorden, hvilket reducerer belastningen på brugerens ryg og ben.

Denne type eksoskelet, hvis det viser sig at være en succes, kan være en stor velsignelse for byggeri og industriarbejdere, der skal løfte beskedne belastninger gentagne gange i løbet af dagen. Arbejdsrelaterede kvæstelser er stadig almindelige i disse felter og kan med tiden i høj grad reducere livskvaliteten for veteraner i disse felter.

FORTIS 'mangel på magt reducerer også kompleksitet og omkostninger, hvilket gør ideen mere velsmagende til omfattende implementering. Med det sagt er FORTIS dog stadig meget tidligt i sin udvikling; det blev først annonceret lige i sidste måned. De fleste andre exoskelet-projekter har været under udvikling i årevis, og i nogle tilfælde årtier, så dette projekt har stadig en vej at gå.

Stadig menneskelig, men bedre

Fokus for det moderne eksoskelet er skiftet fra styrkelse af styrke og hastighed til forbedring af udholdenhed. I denne forstand er målet ikke at gøre os langt hurtigere eller stærkere end før, men i stedet for at gøre os mere holdbare og forbedre vores livskvalitet. Selvom det ikke er glamorøst, giver denne tilgang mening; vi erobrede at løfte tunge belastninger med gaffeltrucken.

Skader og udmattelse er dog fjender, som vi endnu ikke har besejret. En træt, såret soldat vil sandsynligvis bremse hele sin enhed og er mindre i stand til at reagere på trusler, og et skøn fra 2013 fundet på arbejdspladsen koster op til 250 milliarder dollars årligt i USA alene. At reducere belastningen og øge udholdenheden kan drage fordel af alle fra infanteri i kamp til sundhedsarbejdere, der flytter patienter mellem senge, så vi vil sandsynligvis se, at eksoskeletter fortsætter denne nye tilgang i det kommende årti. Eksoskeletter giver os ikke supermenneskelig styrke eller flammende hastighed - i hvert fald ikke snart. Men de vil hjælpe os med at leve længere og bedre liv. Hvordan teknologi kan påvirke menneskelig evolution Hvordan teknologi kan påvirke menneskelig udvikling Der er ikke et eneste aspekt af den menneskelige oplevelse, der ikke er blevet berørt af teknologi, inklusive vores meget krop. .

Billedkredit: Lockheed-Martin, Cyberdyne