Spis treści:
Lśniąca zbroja chroni rycerza przed mieczami i strzałami, ale gdy pole walki coraz bardziej zdominowane jest przez technologię, to każda tego rodzaju ochrona staje się z czasem niewystarczająca. Wykorzystanie egzoszkieletów do ochrony przed pociskami pozostawmy jednak filmom i grom wideo z gatunku science fiction. Dziś skupmy się na urządzeniach pomagających osobom dotkniętym urazami i wykonującym trudne, niebezpieczne prace fizyczne. Poznaj zatem egzoszkielety.
Podglądanie cudów natury, czyli egzoszkielet naturalny
Egzoszkielety przez długi czas były pożywką dla fantastyki naukowej. Obecnie wiele firm prywatnych i organizacji publicznych projektuje i buduje je do różnych zastosowań. Pomagają zwłaszcza osobom z niepełnosprawnością w powrocie do chodzenia. W niedalekiej przyszłości egzoszkielety mają realną szansę stać się częścią życia, a nie tylko warsztatowym marzeniem i luksusem w horrendalnej cenie. Zanim jednak weźmiemy się za ich budowanie, to odpowiedzmy na pytanie: czym są egzoszkielety naturalne i jak działają? Zajrzeliśmy do Encyklopedii Britannica.
Egzoszkielet to sztywna lub przegubowa powłoka, która podtrzymuje i chroni tkanki miękkie niektórych zwierząt. Termin obejmuje wapienne osłony bezkręgowców, takich jak małże, ale najczęściej określa się nim chitynową powłokę stawonogów – owadów, pająków i skorupiaków. U gatunków lądowych pokrycie to ma małe otwory oddechowe. Zapobiegając odwodnieniu, egzoszkielet umożliwił stawonogom, a zwłaszcza owadom, opanowanie większości siedlisk lądowych.
Elastyczne stawy w egzoszkielecie takich stworzeń jak homar umożliwiają dużą swobodę ruchu. Egzoszkielet nie rośnie, musi być za to regularnie „przerzucany” i wydzielany na nowo. W tym czasie zwierzę jest miękkie, podatne na ataki drapieżników oraz zmiany środowiskowe.
Co to jest egzoszkielet robotyczny?
Egzoszkielety robotyczne to elektromechaniczne urządzenia do noszenia. Można powiedzieć, że wpisują się w kategorię technologii wearables. Ich cel to zwiększenie sprawności fizycznej użytkownika. Sprawdzają się jako urządzenia ortopedyczne do rehabilitacji lub wspomagania ruchu. Egzoszkielet z napędem może być urządzeniem wydawanym na wskazanie lekarza. Składa się on z zewnętrznej, zasilanej silnikiem ortezy umieszczanej na osłabionych czy dotkniętych paraliżem kończynach.
Mniej oczywiste korzyści płynące z używania egzoszkieletu to zmniejszenie bólu przewlekłego, zmniejszenie energii potrzebnej do poruszania stawami (kolanowym, biodrowym i skokowym), ponieważ obciążenie to przejmuje sam egzoszkielet, zapewnienie pomiarów kinematycznych i dynamicznych parametrów ruchu kończyn, a tym samym wskaźników związanych z wydajnością. Można więc nie tylko polepszyć zakres ruchu, prędkość i płynność, lecz także pozwolić nieco odpocząć terapeucie.
Jak zbudowany jest egzoszkielet?
Na egzoszkielety robotyczne składają się czujniki, siłowniki i rozmaite struktury mechaniczne. Prototypy wykorzystują pneumatykę, dźwignie, hydraulikę i wszelkie kombinacje technologii cybernetycznych, a także algorytmy i strategie sterowania informacjami w celu wykonania danej funkcji motorycznej. Kluczową cechą egzoszkieletów jest bezpośrednia interakcja między człowiekiem a urządzeniem. Aspekt ten można podzielić na interakcję kognitywną, czyli poznawczą, oraz ściśle fizyczną. Wszystko po to, aby zapewnić lepszą tolerancję na obciążenia mechaniczne, wyczuwać i synchronizować się z zamierzonym ruchem użytkownika oraz przekazywać bezproblemowo sygnał do silników, które niejako zarządzają motoryką całej konstrukcji.
Egzoszkielet zasilany energią różni się od egzoszkieletu pasywnego. Te drugie nie mają siłownika i w wykonywaniu ruchów całkowicie polegają na mięśniach użytkownika, co zwiększa obciążenie i podatność na zmęczenie. Wyjaśnia to również różnicę między egzoszkieletem a ortezami, ponieważ ortezy mają na celu głównie wspieranie stopniowego zwiększania pracy mięśni, a w najlepszym przypadku odzyskanie i poprawę istniejących funkcji mięśni.
Gdzie stosuje się egzoszkielety?
Do czego i komu służy egzoszkielet? Zastosowania militarne i projekty superżołnierza przyszłości na razie pozostawmy na półkach bibliotek i na ekranach kin. Technologia egzoszkieletów pasywnych jest coraz częściej wykorzystywana w przemyśle motoryzacyjnym w celu zmniejszenia liczby urazów pracowników (zwłaszcza w obrębie ramion i kręgosłupa) oraz ograniczenia błędów wynikających ze zmęczenia. Badane są również możliwości ich zastosowania w logistyce. Egzoszkielety wspomagają ruchy zginania i wyprostu ramion, wspierają odcinek lędźwiowy kręgosłupa przy podnoszeniu ciężaru, a w przypadku egzoszkieletów jednostawowych zapewniają pomoc w dostosowanym do zadania zakresie ruchu. Egzoszkielety przemysłowe muszą być jak kombinezon ninja, czyli lekkie, wygodne, bezpieczne i w jak najmniejszym stopniu wpływać na środowisko pracy. Pełne egzoszkielety zasilane elektrycznie zostały opracowane nie tylko w celu wspomagania przenoszenia ciężkich ładunków, lecz także do zastosowań specjalistycznych, takich jak konserwacja w elektrowniach jądrowych.
Technologia egzoszkieletów – przykłady
- Firma Ekso Bionics z Kalifornii opracowuje bioniczne kombinezony zapewniające zasilanie górnej i dolnej części ciała pacjentów z uszkodzeniem rdzenia kręgowego, udarem mózgu i nabytymi urazami mózgu. Pomogły już wykonać pacjentom ponad 180 mln kroków.
- W podobnym duchu działa firma ReWalk Robotics. Dr Amit Goffer, sam cierpiący na porażenie czterokończynowe, założył tę firmę, ponieważ chciał pomóc osobom z porażeniem kończyn dolnych w powrocie do chodzenia. W 2014 roku system ReWalk Personal został dopuszczony przez FDA do użytku w domu lub w społeczności. W sieci jednak można natknąć się na krytykę systemu, głównie z uwagi na jego cenę.
- Cray X firmy German Bionic umożliwia pracownikowi łatwe przenoszenie ciężarów o wadze do 30 kg. Wbudowany system Smart Safety Companion pomaga zapobiegać częstym urazom związanym z podnoszeniem.
- Na początku roku 2022 firma Wandercraft, producent egzoszkieletów z Paryża, pozyskała 45 mln USD w ramach finansowania serii C, co świadczy o dużym zainteresowaniu inwestorów. Firma Ottobock, producent protez i egzoszkieletów, przejęła pod koniec 2021 roku firmę SuitX, innego producenta egzoszkieletów. Co to oznacza? Z pewnością to, że praca mniejszych firm jest doceniana przez większe, które dostrzegają potencjał w tej technologii.
- Rynek egzoszkieletów, choć wciąż stosunkowo niszowy, rozwinął się w ostatnich latach naprawdę nieźle. W zaktualizowanym katalogu Exoskeleton Report na rok 2021 wymieniono 118 firm z całego świata pracujących nad 172 egzoszkieletami, które są w sprzedaży lub wkrótce zostaną wprowadzone na rynek. Stanowi to znaczny wzrost w porównaniu z początkiem roku 2020, w którym zarejestrowano 80 takich firm.
Zebraliśmy tylko kilka przykładów zastosowania egzoszkieletów w praktyce, aby podkreślić, że nie rozmawiamy o kompletnej fantasmagorii. Mnóstwo innych można znaleźć w internecie.
