Exoschelet (din greacă έξω - extern și σκελετος - schelet) - un dispozitiv conceput pentru a compensa funcțiile pierdute, pentru a crește forța musculară umană și pentru a extinde gama de mișcare datorită cadrului extern și a pieselor de conducere [1] , precum și pentru a transfera încărcătură la transferul încărcăturii prin cadrul exterior în platforma de sprijin a piciorului exoschelet.
Exoscheletul repetă biomecanica umană pentru o creștere proporțională a eforturilor în timpul mișcărilor. Pentru a determina aceste proporții, ar trebui utilizat conceptul de parametrizare anatomică.
Parametrizarea anatomică este determinarea corespondențelor dintre diferitele caracteristici anatomice ale structurii corpului uman și parametrii unui dispozitiv mecanic, care determină funcționarea optimă a sistemului biomecanic rezultat. [2] [3]
Potrivit rapoartelor de presă deschise, modelele care funcționează în prezent au fost create în Rusia [4] [5] , Japonia , SUA [6] și Israel . Exoscheletul poate fi încorporat într-un costum spațial .
Primul exoschelet a fost dezvoltat în comun de General Electric și armata SUA în anii 60 și a fost numit Hardiman . Putea ridica 110 kg cu forța aplicată atunci când ridica 4,5 kg. Cu toate acestea, a fost nepractic din cauza masei sale semnificative de 680 kg. Proiectul nu a avut succes. Orice încercare de a folosi exoscheletul complet s-a încheiat cu o mișcare intensă incontrolabilă, ceea ce a dus la testarea acestuia cu un om în interior. Cercetările ulterioare s-au concentrat pe o parte. Deși trebuia să ridice 340 kg, greutatea ei era de 750 kg, ceea ce era de două ori capacitatea de ridicare. Fără a conecta toate componentele între ele, aplicarea practică a proiectului Hardiman a fost limitată [7] .
Exoscheletul ReWalk, dezvoltat de ReWalk Robotics, permite persoanelor paralizate să meargă. Noul sistem, conform cercetătorilor, poate fi folosit de pacienți în viața de zi cu zi [8] .
Exoscheletele care au fost create până în prezent sau sunt în stadiul de dezvoltare promițătoare pot fi clasificate în funcție de următoarele criterii [9] :
Cea mai completă și modernă clasificare a fost propusă de profesorul Vorobyov A. A. și coautori (2015) [10]
Clasificarea propusă se bazează pe mai multe principii.
Principala direcție de dezvoltare este utilizarea militară a exoscheletelor în scopul creșterii mobilității grupurilor și unităților tactice care operează pe jos, prin compensarea încărcăturii fizice a soldaților cauzată de greutatea excesivă a echipamentului. [12] Creșterea mobilității și vitezei umane poate fi, de asemenea, însoțită de o creștere a puterii celui care utilizează exoscheletul.
Integrarea exoscheletului în echipament va fi însoțită de transformarea acestuia într-un sistem multifuncțional. Pe lângă scopul său principal, poate îndeplini funcțiile unui generator electric, stocare a bateriei, un cadru pentru atașarea modulelor de protecție a armurii, echipamente de telecomunicații, diverși senzori și traductoare, așezarea liniilor electrice și transmisia de date. [12] De remarcat este utilizarea elementelor structurale ale exoscheletului ca sistem de antenă pentru transmiterea și recepția de semnale radio. [12]
Un alt domeniu posibil de aplicare a exoscheletelor este acela de a ajuta persoanele rănite și persoanele cu dizabilități , vârstnicii, care, datorită vârstei, au probleme cu sistemul musculo -scheletic .
Pentru reabilitarea pacienților cu fracturi mandibulare a fost dezvoltat un exoschelet mandibular [13] , acesta vizează tratarea defectelor mandibulare la pacienții cu posibilitatea restabilirii funcției masticatorii în perioada postoperatorie precoce și în etapele reabilitării. Acest dispozitiv [14] asigură pentru prima dată pacientului nu numai activitatea motorie a maxilarului inferior, ci și compensează forțele patologice rezultate din utilizarea unui dispozitiv de fixare externă a fragmentelor osoase [15] [16] . Exoschelet mandibular pe YouTube
Modificările exoscheletelor, precum și unele dintre modelele acestora, pot oferi o asistență semnificativă salvatorilor în analiza molozului clădirilor prăbușite. În același timp, exoscheletul poate proteja salvatorul de căderea resturilor.
În zilele noastre, un mare obstacol în calea începerii construcției de exoschelete cu drepturi depline este lipsa surselor de energie adecvate care ar putea permite mașinii să funcționeze autonom pentru o perioadă lungă de timp.
În anii 1960 General Electric a dezvoltat un design electric și hidraulic numit Hardiman, în formă de încărcător de exoschelet pe care locotenentul Ellen Ripley (În filmul „ Aliens ”) îl folosește în lupta finală împotriva uterului Alien [17] , dar cu o greutate de 1.500 de lire sterline ( 680, 4 kg) designul a fost ineficient.
Au fost construite exemple de lucru de exoschelete, dar utilizarea pe scară largă a unor astfel de modele nu este încă posibilă. Acesta este, de exemplu, exoscheletul Sarcos XOS, care a fost dezvoltat la comandă de la armata SUA. Potrivit presei, mașina era bine proiectată, dar din cauza lipsei bateriilor de capacitate suficientă, demonstrația a trebuit să se desfășoare în regim de alimentare (un videoclip cu o demonstrație este pe YouTube [18] ).
Unele exoschelete ( Hybrid Assistive Limb , Honda Walking Assist Device) sunt poziționate ca dispozitive pentru persoanele cu probleme musculo-scheletice [19] . Honda Walking Assist Device a fost produs de Honda în trei dimensiuni - mic, mediu (greutate 2,8 kg), mare.
Dezvoltarea exoscheletului rusesc numit ExoAtlet este realizată de o echipă de oameni de știință din proiectul ExoAtlet, primul exoschelet medical rusesc pentru reabilitarea, adaptarea socială și integrarea persoanelor cu funcții locomotorii afectate ale extremităților inferioare. Potrivit dezvoltatorilor, un astfel de exoschelet este potrivit nu numai pentru persoanele cu leziuni ale măduvei spinării, ci și pentru persoanele cu consecințele unui accident vascular cerebral. În prezent, au fost create mai multe prototipuri funcționale ale produsului. Cea mai recentă modificare, ExoAtlet Albert, este controlată cu cârje și permite unei persoane să meargă, să se așeze și să se ridice în mod independent. Potrivit managerilor de proiect, primele vânzări vor începe în 2016.
Active Electric este un exoschelet industrial activ dezvoltat de Norilsk Nickel Digital Laboratory în parteneriat cu Southwestern State University (Southwestern State University, Kursk) și compania Exomed [20] (Kursk). Exoscheletul industrial al extremităților inferioare AE este conceput pentru ridicarea, transportul și susținerea sarcinilor, precum și pentru efectuarea lucrărilor legate de o ședere lungă în stare statică, este utilizat pentru prevenirea rănilor la locul de muncă și îmbunătățirea eficienței producției [21] [22 ]. ] . Echipat cu un sistem de control inteligent pentru acționările electrice și un set de senzori la bord care analizează mediul, utilizatorul și parametrii de sarcină. Designul modular al exoscheletului include compensatoare gravitaționale și un modul de ridicare a sarcinii alimentat electric, care permite exoscheletului să preia până la 90% din greutatea sarcinii cu o capacitate maximă de încărcare de până la 60 kg. Exoscheletul este conceput pentru operatori cu o înălțime de 160 până la 195 cm și include și un computer de bord care permite monitorizarea în timp real a nivelului de poluare a aerului ambiant, a temperaturii aerului, a iluminarii, a modului utilizator și a altor parametri. Toate datele sunt afișate pe un dispozitiv mobil și pot fi transferate într-o rețea corporativă [23] . Un lot experimental este în prezent testat la întreprinderi.
ExoHeaver Lowebacker este un exoschelet pasiv de tip moale conceput pentru a descărca spatele în timpul lucrărilor de ridicare a sarcinii, depozitare și transport [24] . Conceput pentru a lucra cu sarcini de până la 25 kg și poate fi echipat cu un sistem de senzori pentru integrarea în sistemul „smart worker”. Are certificare TR TS și GOST R și este utilizat cu succes la diferite întreprinderi din Rusia, Kazahstan și Belarus [25] .
ExoHeaver Holdupper este un exoschelet pasiv cu un mecanism cinematic paralel conceput pentru a descărca membrele superioare ale utilizatorului atunci când lucrează cu o unealtă grea sau cu o sarcină de până la 20 kg.
XOS 2 este un costum robotic de a doua generație dezvoltat de Raytheon pentru armata SUA. Compania a demonstrat pentru prima dată capacitățile exoscheletului la centrul său de cercetare din Salt Lake City, Utah, în septembrie 2010. Costumul robotic crește puterea, agilitatea și rezistența soldatului din interiorul său. XOS 2 folosește un sistem hidraulic de înaltă presiune care permite purtătorului să ridice obiecte grele într-un raport de 17:1 (greutate reală față de greutatea percepută). Acest lucru vă permite să ridicați în mod repetat sarcina fără oboseală sau rănire.
Agenția SUA pentru Proiecte de Cercetare Avansată pentru Apărare (DARPA) a inițiat dezvoltarea exoscheletelor în 2001, ca parte a programului Exoscheletons for Human Performance Augmentation. Agenția a finanțat 50 de milioane de dolari diverșilor participanți printr-un program de cinci ani. Cu toate acestea, doar doi dintre ei sunt implicați activ în dezvoltarea de prototipuri de exoschelet pentru armata SUA.
Sistemul XOS a fost dezvoltat inițial ca un robot purtabil autonom energetic (WEAR) de către Sarcos Research din Salt Lake City, Utah. Dezvoltarea robotului biomecanic a început în 2000. Compania, fondată în 1983, a fost achiziționată de Raytheon în noiembrie 2007.
Costumul robotic XOS 2 din a doua generație folosește un material mai ușor și este cu aproximativ 50% mai eficient decât XOS 1. Exoscheletul este de așteptat să cântărească în jur de 95 kg. Utilizează o combinație de controlere, senzori, aluminiu de înaltă rezistență și oțel pentru a permite structurilor și dispozitivelor de acționare să îndeplinească sarcinile.
Sistemul XOS 2 este echipat cu un motor hidraulic cu ardere internă cu sisteme electrice. Prototipul este legat de o sursă de energie hidraulică cu un fir. Motorul controlează transmisiile hidraulice. Diferiți senzori echipați în întregul sistem determină poziția și forța necesară.
Un proiect al subsidiarei Panasonic , ActiveLink . Exoscheletele aplicate sunt folosite pentru a crește forța soldaților; de asemenea, suporturile robotizate pentru picioare pot ajuta persoanele paralizate să meargă și pot fi folosite de lucrătorii de la centralele nucleare și de angajații Ministerului Situațiilor de Urgență în caz de dezastre naturale.
Costumele ActiveLink sunt concepute astfel încât utilizatorii să le poată îmbrăca și să poată funcționa în 30 de secunde sau mai puțin. Exoscheletele motorizate pentru reabilitare sau alte aplicații medicale folosesc adesea senzori electrici de activitate musculară care necesită timp pentru a se calibra.
Costumul dur permite scafandrilor să se scufunde la adâncimi de 1.000 de picioare. Exoscheletul este realizat din aliaj de aluminiu A536. Greutate - de la 225 de kilograme. Timpul maxim de scufundare este de 50 de ore.
Un produs al Solar System Express. RL Mark VI va permite coborârea până la 62 mile (100 km) deasupra suprafeței pământului chiar la marginea spațiului și aterizarea verticală folosind cizme giroscopice în loc de parașuta. Acest costum va îmbunătăți siguranța și performanța zborului spațial cu echipaj, va oferi un mijloc de a scăpa de potențiale accidente catastrofale și va spori oportunitățile pentru turismul spațial și cercetarea științifică.
Eidos Montreal și Open Bionics lansează împreună proteze imprimate 3D, ca parte a unei campanii de PR pentru Deus Ex: Mankind Divided . O caracteristică distinctivă a protezelor acestui proiect va fi costul lor scăzut.
Laevo ( Olanda ) a dezvoltat o versiune pasivă a exoscheletului care utilizează cilindri hidraulici. Este conceput pentru a facilita execuția operațiunilor logistice și reduce percepția subiectivă a încărcăturii cu 40-50%. La înclinarea trunchiului sau la ghemuit, în cilindrii hidraulici ai exoscheletului se acumulează presiunea în exces, care este eliberată atunci când corpul revine în poziția inițială, creând în acest moment un efort suplimentar de descărcare a mușchilor corespunzători. Greutatea produsului pentru versiunea V2.4 este de 2,5 kg, iar versiunea V2.5 este de 2,8 kg. Cilindrii hidraulici sunt proiectați pentru cel puțin 250 de mii de operațiuni în decurs de 3 ani. Temperatura ambiantă în timpul funcționării trebuie să fie peste zero. Exoscheletul a primit certificarea medicală „CE – Dispozitiv medical clasa I ”.
În 2019, medicii din Volgograd, Alexander Vorobyov și Fedor Andryushchenko, au prezentat primul exoschelet pentru un chirurg, conceput pentru a facilita efectuarea operațiilor endoscopice de o oră prin reducerea încărcăturii asupra coloanei vertebrale și a mâinilor chirurgului. [26] La sfârșitul lunii martie, prima operație a fost efectuată folosind acest exoschelet. [27]
Proiectat de suitX, cunoscut și sub numele de US Bionics. Directorul companiei este Homayoon Kazerooni . PHOENIX - este unul dintre cele mai ușoare exoschelete cu o greutate de 12,25 kg. Conceput pentru persoanele cu afectarea sistemului musculo-scheletic , și anume pentru persoanele care nu pot merge singure. Viteza de deplasare este de 0,5 m/s, este dotata cu o baterie reincarcabila cu rezerva continua de pana la 4 ore si pana la 8 ore cu pauze. Are dimensiuni reglabile și poate fi ajustat pentru utilizatori de diferite fizice și înălțimi. PHOENIX este echipat cu motoare pentru coapsă care alimentează articulațiile genunchiului exoscheletului, permițând mișcarea liberă. Este proiectat în așa fel încât operatorul să nu-și simtă greutatea și să fie pe el. La o coliziune cu un obstacol, exoscheletul compensează impactul fără a-l transfera proprietarului.
Exoscheletele apar adesea în ficțiunea științifico-fantastică , cel mai adesea ca echipament militar - sub formă de armuri puternice sau costum de luptă [28] .
Exoscheletele sau structurile similare sunt folosite de personajele din seria de filme „ The Matrix ” (APU – Armored Personnel Units), filmele „ Avatar ”, „ Atracție ”, „ Districtul nr. 9 ” (ceva între un exoschelet și un plimbător ) [28] , „ Elysium - Paradise not on Earth ”, „ Aruncarea Cobrei ”, „ Spy Kids 4D ”. Una dintre cele mai faimoase scene asociate cu exoscheletele [28] este prezentată în filmul „ Aliens ”, în care personajul principal Ellen Ripley folosește un încărcător de exoschelete în lupta finală împotriva reginei Alien . În filmul „ Edge of Tomorrow ”, toți luptătorii luptă în exoschelete. În serialul animat Echo Platoon , ideea exoscheletelor zburătoare de luptă se află în centrul intrigii [28] .