Exoskeleton (z řečtiny έξω - vnější a σκελετος - kostra) - zařízení určené ke kompenzaci ztracených funkcí, zvýšení svalové síly člověka a rozšíření rozsahu pohybu díky vnějšímu rámu a hnacím částem [1] , jakož i k přenosu zatížení při přenášení nákladu přes vnější rám do nosné plošiny nohy exoskeletu.
Exoskeleton opakuje lidskou biomechaniku pro úměrné zvýšení úsilí během pohybů. K určení těchto proporcí by měl být použit koncept anatomické parametrizace.
Anatomická parametrizace je stanovení shod mezi různými anatomickými charakteristikami stavby lidského těla a parametry mechanického zařízení, které určují optimální provoz výsledného biomechanického systému. [2] [3]
Podle otevřených tiskových zpráv byly aktuálně fungující modely vytvořeny v Rusku [4] [5] , Japonsku , USA [6] a Izraeli . Exoskeleton lze zabudovat do skafandru .
První exoskelet byl společně vyvinut General Electric a americkou armádou v 60. letech a byl nazván Hardiman . Dokázal zvednout 110 kg silou vynaloženou při zvednutí 4,5 kg. Bylo to však nepraktické kvůli své značné hmotnosti 680 kg. Projekt nebyl úspěšný. Jakýkoli pokus použít celý exoskelet skončil intenzivním nekontrolovatelným pohybem, což mělo za následek, že nikdy nebyl testován s člověkem uvnitř. Další výzkum se zaměřil na jednu stranu. Přestože měla zvednout 340 kg, její váha byla 750 kg, což byl dvojnásobek nosnosti. Bez propojení všech komponent dohromady byla praktická aplikace projektu Hardiman omezena [7] .
Exoskeleton ReWalk vyvinutý společností ReWalk Robotics umožňuje ochrnutým lidem chodit. Nový systém mohou podle vědců používat pacienti v každodenním životě [8] .
Exoskeletony, které byly dosud vytvořeny nebo jsou ve fázi slibného vývoje, lze klasifikovat podle následujících kritérií [9] :
Nejúplnější a nejmodernější klasifikaci navrhl profesor Vorobjov A. A. a spoluautoři (2015) [10]
Navrhovaná klasifikace je založena na několika principech.
Hlavním směrem vývoje je vojenské využití exoskeletů za účelem zvýšení mobility taktických skupin a jednotek operujících pěšky, kompenzací fyzické zátěže vojáků způsobené nadměrnou hmotností techniky. [12] Zvýšení lidské mobility a rychlosti může být také doprovázeno zvýšením síly toho, kdo používá exoskelet.
Integrace exoskeletu do vybavení bude doprovázena jeho přeměnou na multifunkční systém. Kromě svého hlavního účelu může plnit funkce elektrického generátoru, bateriového úložiště, rámu pro uchycení modulů pancéřové ochrany, telekomunikačních zařízení, různých senzorů a převodníků, pokládání elektrických vedení a přenosu dat. [12] Pozoruhodné je použití konstrukčních prvků exoskeletu jako anténního systému pro vysílání a příjem rádiových signálů. [12]
Další možnou oblastí použití exoskeletonů je pomoc zraněným lidem a osobám se zdravotním postižením , seniorům, kteří mají vzhledem ke svému věku problémy s pohybovým aparátem .
Pro rehabilitaci pacientů se zlomeninami dolní čelisti byl vyvinut mandibulární exoskelet [13] , je zaměřen na léčbu mandibulárních defektů u pacientů s možností obnovení žvýkací funkce v časném pooperačním období a ve fázích rehabilitace. Tento přístroj [14] poprvé zajišťuje pacientovi nejen motorickou aktivitu dolní čelisti, ale také kompenzuje patologické síly plynoucí z použití externího fixačního zařízení kostních fragmentů [15] [16] . Mandibulární exoskelet na YouTube
Úpravy exoskeletů, ale i některých jejich modelů, mohou záchranářům významně pomoci při rozborech sutin zřícených budov. Exoskeleton zároveň dokáže ochránit zachránce před padajícími úlomky.
V dnešní době je velkou překážkou pro zahájení stavby plnohodnotných exoskeletů nedostatek vhodných zdrojů energie, které by mohly umožnit stroji pracovat autonomně po dlouhou dobu.
V 60. letech 20. století General Electric vyvinul elektrický a hydraulický design nazvaný Hardiman, tvarovaný jako exoskeleton nakladač, který poručík Ellen Ripley (ve filmu " Mimozemšťané ") používá v závěrečné bitvě proti mimozemské děloze [17] , ale při váze 1500 liber ( 680, 4 kg) konstrukce byla neefektivní.
Funkční příklady exoskeletonů byly postaveny, ale široké použití takových modelů zatím není možné. Jde například o exoskelet Sarcos XOS, který byl vyvinut na zakázku americké armády. Podle tisku byl stroj dobře navržen, ale kvůli chybějícím bateriím s dostatečnou kapacitou musela být ukázka provedena v síťovém režimu (video s ukázkou je na YouTube [18] ).
Některé exoskelety ( Hybrid Assistive Limb , Honda Walking Assist Device) jsou umístěny jako zařízení pro lidi s muskuloskeletálními problémy [19] . Honda Walking Assist Device vyrobila Honda ve třech velikostech – malá, střední (váha 2,8 kg), velká.
Vývojem ruského exoskeletu s názvem ExoAtlet se zabývá tým vědců z projektu ExoAtlet, prvního ruského lékařského exoskeletu pro rehabilitaci, sociální adaptaci a integraci lidí s narušenými pohybovými funkcemi dolních končetin. Podle vývojářů je takový exoskeleton vhodný nejen pro lidi s poraněním míchy, ale i pro lidi s následky mrtvice. V současné době bylo vytvořeno několik funkčních prototypů produktu. Nejnovější modifikace, ExoAtlet Albert, se ovládá pomocí berlí a umožňuje člověku samostatně chodit, sedět a vstávat. Podle projektových manažerů budou první prodeje zahájeny v roce 2016.
Active Electric je aktivní průmyslový exoskelet vyvinutý společností Norilsk Nickel Digital Laboratory ve spolupráci s Southwestern State University (Southwestern State University, Kursk) a společností Exomed [20] (Kursk). Průmyslový exoskelet dolních končetin AE je určen pro zvedání, přenášení a držení břemen, dále pro provádění prací souvisejících s dlouhodobým pobytem ve statickém stavu, slouží k prevenci úrazů při práci a zlepšuje efektivitu výroby [21] [22 ] . Vybaveno inteligentním řídicím systémem pro elektrické pohony a sadou palubních senzorů, které analyzují parametry prostředí, uživatele a nákladu. Modulární konstrukce exoskeletu obsahuje kompenzátory gravitace a elektricky poháněný modul pro zvedání břemene, který umožňuje exoskeletonu převzít na sebe až 90 % hmotnosti břemene s maximální nosností až 60 kg. Exoskelet je určen pro operátory s výškou 160 až 195 cm, jeho součástí je i palubní počítač, který umožňuje v reálném čase sledovat míru znečištění okolního ovzduší, teplotu vzduchu, osvětlení, uživatelský režim a další parametry. Všechna data se zobrazují na mobilním zařízení a lze je přenést do podnikové sítě [23] . V současné době se v podnicích testuje experimentální šarže.
ExoHeaver Lowebacker je pasivní exoskelet měkkého typu určený k odlehčení zad při zvedání břemen, skladovacích a přepravních pracích [24] . Navrženo pro práci s břemeny o hmotnosti až 25 kg a může být vybaveno senzorovým systémem pro integraci do systému „smart worker“. Má certifikaci TR TS a GOST R a je úspěšně používán v různých podnicích v Rusku, Kazachstánu a Bělorusku [25] .
ExoHeaver Holdupper je pasivní exoskelet s mechanismem paralelní kinematiky určený k odlehčení horních končetin uživatele při práci s těžkým nářadím nebo břemenem o hmotnosti do 20 kg.
XOS 2 je robotický oblek druhé generace vyvinutý společností Raytheon pro americkou armádu. Společnost poprvé předvedla schopnosti exoskeletu ve svém výzkumném centru v Salt Lake City v Utahu v září 2010. Robotický oblek zvyšuje sílu, obratnost a vytrvalost vojáka uvnitř. XOS 2 využívá vysokotlaký hydraulický systém, který uživateli umožňuje zvedat těžké předměty v poměru 17:1 (skutečná hmotnost k vnímané hmotnosti). To vám umožní opakovaně zvedat náklad bez únavy nebo zranění.
Americká Agentura pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA) iniciovala vývoj exoskeletů v roce 2001 jako součást programu Exoskeletons for Human Performance Augmentation. Agentura financovala 50 milionů dolarů různým účastníkům prostřednictvím pětiletého programu. Pouze dva z nich se však aktivně podílejí na vývoji prototypů exoskeletu pro americkou armádu.
Systém XOS byl původně vyvinut jako nositelný energeticky autonomní robot (WEAR) společností Sarcos Research ze Salt Lake City v Utahu. Vývoj biomechanického robota začal v roce 2000. Společnost založená v roce 1983 byla koupena společností Raytheon v listopadu 2007.
Robotický oblek XOS 2 druhé generace využívá lehčí materiál a je zhruba o 50 % účinnější než XOS 1. Očekává se, že exoskeleton bude vážit kolem 95 kg. Využívá kombinaci ovladačů, senzorů, vysokopevnostního hliníku a oceli, aby konstrukce a akční členy mohly plnit úkoly.
Systém XOS 2 je vybaven hydraulickým spalovacím motorem s elektrickými systémy. Prototyp je připojen k hydraulickému zdroji energie pomocí drátu. Motor ovládá hydraulické pohony. Různá čidla vybavená v celém systému určují polohu a požadovanou sílu.
Projekt dceřiné společnosti Panasonic ActiveLink . Aplikované exoskelety slouží ke zvýšení síly vojáků; robotické podpěry nohou mohou také pomáhat ochrnutým lidem při chůzi a mohou je používat pracovníci jaderných elektráren a zaměstnanci ministerstva pro mimořádné situace v případě přírodních katastrof.
Obleky ActiveLink jsou navrženy tak, aby si je uživatelé mohli obléci a spustit do 30 sekund nebo méně. Poháněné exoskelety pro rehabilitaci nebo jiné lékařské aplikace často používají elektrické senzory svalové aktivity, jejichž kalibrace vyžaduje čas.
Hardsuit umožňuje potápěčům potápět se do hloubek 1000 stop. Exoskelet je vyroben z hliníkové slitiny A536. Hmotnost - od 225 kilogramů. Maximální doba ponoru je 50 hodin.
Produkt společnosti Solar System Express. RL Mark VI umožní sestoupit až 62 mil (100 km) nad zemským povrchem na samé hranici vesmíru a svisle přistát pomocí gyroskopických bot namísto padáku. Tento oblek zlepší bezpečnost a výkon při pilotovaných kosmických letech, poskytne prostředky k úniku před potenciálními katastrofickými nehodami a rozšíří příležitosti pro vesmírnou turistiku a vědecký výzkum.
Eidos Montreal a Open Bionics společně uvolňují 3D tištěné protetiky jako součást PR kampaně pro Deus Ex: Mankind Divided . Charakteristickým rysem protéz tohoto projektu bude jejich nízká cena.
Laevo ( Nizozemsko ) vyvinulo pasivní verzi exoskeletu, který využívá hydraulické válce. Je navržen tak, aby usnadnil provádění logistických operací a snižuje subjektivní vnímání zátěže o 40-50%. Při naklánění trupu nebo dřepu se v hydraulických válcích exoskeletu hromadí přetlak, který se uvolňuje při návratu těla do původní polohy, čímž vzniká v tuto chvíli další úsilí k odlehčení odpovídajících svalů. Hmotnost produktu verze V2.4 je 2,5 kg, verze V2.5 je 2,8 kg. Hydraulické válce jsou dimenzovány na minimálně 250 tisíc operací během 3 let. Okolní teplota během provozu musí být nad nulou. Exoskeleton získal lékařskou certifikaci "CE - Medical Device Class I ".
V roce 2019 představili volgogradští lékaři Alexander Vorobyov a Fedor Andryushchenko první exoskeleton pro chirurga, který byl navržen tak, aby usnadnil provádění hodinových endoskopických operací snížením zátěže páteře a rukou chirurga. [26] Koncem března byla provedena první operace pomocí tohoto exoskeletu. [27]
Navrhl suitX, také známý jako US Bionics. Ředitelem společnosti je Homayoon Kazerooni . PHOENIX - je jeden z nejlehčích exoskeletonů s hmotností 12,25 kg. Určeno pro osoby s postižením pohybového aparátu , zejména pro osoby, které nemohou samostatně chodit. Pojezdová rychlost je 0,5 m/s, je vybavena dobíjecí baterií s nepřetržitou rezervou chodu až 4 hodiny a až 8 hodin s přestávkami. Má nastavitelné velikosti a lze jej upravit pro uživatele různé postavy a výšky. PHOENIX je vybaven stehenními motory, které pohánějí kolenní klouby exoskeletu a umožňují volný pohyb. Je navržena tak, aby obsluha necítila její váhu a byla na ní. Při srážce s překážkou exoskelet vyrovnává náraz, aniž by jej přenesl na majitele.
Exoskeletony se často objevují ve sci-fi , nejčastěji jako vojenská výbava – v podobě silového brnění nebo bojového obleku [28] .
Exoskeletony nebo podobné struktury používají postavy z filmové série " The Matrix " (APU - Armored Personnel Units), filmů " Avatar ", " Atraction ", " Okres č. 9 " (něco mezi exoskeletem a chodcem ) [28] , " Elysium - Ráj není na Zemi ", " Hození kobrou ", " Spy Kids 4D ". Jedna z nejslavnějších scén spojených s exoskeletony [28] je zobrazena ve filmu „ Mimozemšťané “, kde hlavní hrdinka Ellen Ripleyová používá nakladač exoskeletů v závěrečné bitvě proti královně Vetřelců. Ve filmu " Edge of Tomorrow " bojují všichni bojovníci v exoskeletech. V animovaném seriálu Echo Platoon je jádrem zápletky myšlenka bojových létajících exoskeletonů [28] .