Bionic Humans Exoskeleton Technology är omdefinierande gränser

I Edge of Tomorrow, en kritikerad science fictionfilm släpptes i sommar, soldater kämpar utomjordingar med drivna exoskeletoner som förbättrar deras styrka, hastighet och smidighet. På silverskärmen, tillsammans med explosioner och andra världsliga fiender, verkar idéerna som en Hollywood-uppfinning - men det är närmare verkligheten än du skulle tro.

Exoskeletonforskningen har pågått i över ett sekel, vilket resulterade i ett antal hållbara prototyper. Överraskande fokuserar de dock mindre på supermänniska styrka och mer på att förbättra uthållighet och livskvalitet. Forskare på fältet ser framtiden 4 Tekniker som kan förändra världen 4 Tekniker som kan förändra världen Just nu är en sådan spännande tid att leva, eftersom vetenskap och teknik sårar mänskligheten framåt i så otroliga priser. Vem skulle ha tänkt för tio år sedan att vi skulle få en enkel åtkomst till alla ... Läs mer som ett maraton istället för en sprint.

Exo-historia

Mänskliga exoskeletoner har dykt upp i science fictionberättelser sedan 1950-talet, men den första verkliga exoskeletten uppfanns över ett halvt sekel tidigare av den ryska uppfinnaren Nicholas Yagn. Trots sitt hemland bestämde han sig för att lämna patent till USA: s patentbyrå 1890. Han beskrev sin uppfinning som:

[...] ett antal fjädrar anpassade att stödja hela kroppens vikt och lagra och ackumulera den kraft som utövas därmed tillsammans med kraften som utövas av momentet av sådan dödvikt när den är i rörelse. - Nicholas Yagn, uppfinnare

Hans exoskelet används också “komprimerade fluidum ackumulatorer” att lagra energi. Enligt Nicholas gav hans uppfinning användarna bättre rörlighet och minskade belastningen av att springa och hoppade på kroppen. Ursäkta, ångpump fans Detta var ingen växeldriven dödsmaskin.

Den första drivna exoskeletten, kallad Hardiman, utvecklades av General Electric i slutet av 1960-talet. Massivt och brutalt såg kostymmen ungefär som de massiva kampsändarna som föreställdes av sci-fi-författare. Det var utformat för att förstärka en användares styrka väsentligt, men dess uppfinnare har aldrig helt nailed ner kontrollerna och kraven. Som framgår av projektets slutrapport:

Man-maskin gränssnittsproblemet i Hardiman I prototypen har varit svårt. Den höga effektförstärkningen, komplexiteten i det flervägda systemet och den intima kopplingen mellan mannen och maskinen påförde många designbegränsningar och ställde stora krav på befintlig teknik.

Felet i Hardiman visade den extrema svårigheten att utveckla en exoskelett med den tidens teknik. Ett annat försök gjordes inte förrän i början av 1990-talet, när forskare vid Kawasaki började arbeta med Power Assist Suit, en exoskelett utformad för att hjälpa sjukvårdspersonal att flytta immobile patienter.

En explosion av ny utveckling inträffade efter sekelskiftet. Japanskt företag Cyberdyne introducerade HAL-3 exoskelettkonceptet, Berkeley utvecklade en exoskelett som kallas Bleex för att hjälpa soldater att bära tunga laster över långa sträckor, och Honda har satt ihop ett par exoskeletoner i underkroppen avsedda för delvis mobila människor som annars skulle behöva en sockerrör eller walker.

Strömförsörjning

Det misslyckade Hardiman-projektet är den typ av kostym de flesta tycker om när de berättade för att föreställa sig en exoskelett. Många av oss återkallar bilder från fiktion, som den berömda exoskeletten som pilotas av Sigourney Weaver (eller snarare stuntmanen som är gömd bakom henne) i Aliens.

En massiv exoskelet kan säkert wow en publik, men den praktiska användningen är begränsad. Batterier saknar fortfarande den uthållighet som krävs för att driva en beastly maskin under långa perioder, och en stor exoskelett gör inte mycket en gaffeltruck, kran eller annat fordon kan inte redan uppnå. Moderna exoskeletoner fokuserar på att förbättra människan på praktiska sätt som kan användas varje dag i olika situationer.

En av de senaste konstruktionerna är Human Universal Load Carrier eller HULC, en militär exoskelett utformad av Lockheed-Martin för att kraftigt förbättra soldatens fysiska förmåga. Grundtanken, som framgår av programchef Jim Ni och detaljerad i ett pressmeddelande från företag, är att öka uthållighet och styrka samtidigt som risken för skada minskas.

Det [HULC] gör det möjligt för soldater att göra saker de inte kan göra idag, samtidigt som de hjälper till att skydda dem från muskuloskeletala skador. - Jim Ni, HULC programchef

Det låter inte mycket annorlunda än de fördelar som Nicholas Yagn hävdade för sin exoskelett för över hundra år sedan, men modern teknik innebär att forskare bättre kan förverkliga idén. HULC kan hjälpa soldater att transportera laster upp till 200 pund över olika terrängen samtidigt som risken för skador minimeras som kan sakta en soldat i fältet. Batterier driver exoskeletten, som väger över femtio pund, och livet kan förlängas upp till 72 timmar med specialutrustning.

Men Lockheed-Martin är inte det enda företaget inom detta område. Raytheon har spenderat de senaste åtta åren och utvecklat XOS, som hoppas kunna fylla samma roll som HULC. Till skillnad från konkurrenten täcker XOS dock en betydande del av användarens under- och överkropp. Dess uppfinnare citerar en liknande maximal bärförmåga på minst 200 pund, men förstärkningen av styrkan sträcker sig till armarna, som kan hålla upp till femtio pund med liten ansträngning.

Inte bara för soldater

I Japan har Cyberdyne under tiden fortsatt utveckling av sin HAL-5 exoskelett. Till skillnad från sina amerikanska kamrater är denna enhet byggd för civila snarare än militär användning. Företaget undersöker flera modeller för användning av industriarbetare, katastrofrespons personliga och medicinsk personal.

En underskötselmodell som är utformad för att hjälpa till med att rehabilitera personer med skadade rörelseproblem har godkänts för användning i Europa och används i kliniska prövningar. Den första rättegången, som avslutades i april i år, föreslår att exoskeletten ger en “mycket signifikant förbättring” till rörlighet när den bärs och också, med tiden, förbättrar samma patients rörelseförmåga utan exoskeletten. Endast åtta patienter var en del av studien, men så måste mer arbete göras för att bekräfta HALs fördelar.

En annan civil exoskelett som uppmärksammas är ReWalk, en underkropps exoskelett som passar en roll som liknar HAL. ReWalk använder lågmotoriga benmotorer för att hjälpa till med rörlighet samtidigt som batterierna levereras hela tiden. Till skillnad från HAL måste ReWalk användas med kanoter, men det är också längre fram i sin utveckling och har godkänts i flera länder. ReWalk kan användas för rehabilitering eller kan köpas för personligt bruk som ett alternativ till rullstol eller motorfordon.

Batterier ingår inte

FORTIS, som just började testas i år, är Lockheed-Martins nyaste exoskelett. Även om den första testundersökningen utförs av marinan, är denna exoskelett, till skillnad från HULC, endast avsedd för civil användning. Det förstärker användarens kropp, vilket minskar belastningen vid hantering av de tunga verktygen. Marinmekaniker använder ofta reparationer av fartyg.

Genom att bära FORTIS-exoskeletten kan operatörerna hålla tyngden på de tunga verktygen under längre tid med minskad trötthet. - Adam Miller, chef för nya initiativ, Lockheed-Martin

Medan det saknar batterier, har FORTIS imponerande förmågor. Det kan hjälpa användare att hålla upp till 36 pund “ansträngning.” Det kanske inte låter så mycket först, men kom ihåg att mekaniker använder sådana verktyg i timmar varje dag. Varje väsentlig vikt kan bli tröttsam efter några minuter. Exoskeleten hjälper också att överföra dessa laster till marken, vilket minskar belastningen på användarens rygg och ben.

Denna typ av exoskeleton, om det skulle bli framgångsrikt, kan vara en stor välsignelse för byggande och industriarbetare som måste lyfta blygsamma belastningar upprepade gånger under hela dagen. Arbetsrelaterade skador är fortfarande vanliga inom dessa områden och kan över tiden i hög grad minska livskvaliteten för veteraner i dessa områden.

FORTIS brist på makt minskar också komplexitet och kostnad, vilket gör idén mer tilltalande för omfattande utbyggnad. Med detta sagt är FORTIS fortfarande fortfarande mycket tidigt i sin utveckling. Det var först tillkännagivit bara förra månaden. De flesta andra exoskeletonprojekt har utvecklats i flera år, och i vissa fall årtionden, så det här projektet har fortfarande ett sätt att gå.

Fortfarande människa, men bättre

Fokuset på det moderna exoskeletet har skiftats från ökad styrka och snabbhet för att förbättra uthålligheten. I den meningen är målet att inte göra oss mycket snabbare eller starkare än tidigare, men istället göra oss mer hållbara och förbättra vår livskvalitet. Medan det inte är glamoröst, är detta tillvägagångssätt; vi erövrade att lyfta tunga laster med gaffeltrucken.

Skada och utmattning är dock fiender som vi än har att besegra. En trött, skadad soldat kommer sannolikt att sakta ner hela sin enhet och är mindre kapabel att reagera på hot och en 2013-uppskattning av att arbetsskador uppgår till upp till 250 miljarder dollar årligen i USA ensam. Att minska belastningen och öka uthålligheten kan gynna alla från infanteri i strid till vårdpersonal som flyttar patienter mellan sängar, så vi kommer troligen att se exoskeletoner fortsätta denna nya inställning under det närmaste decenniet. Exoskeletoner ger oss inte superhuman styrka eller flammande hastighet - åtminstone inte när som helst snart. Men de kommer att hjälpa oss att leva längre, bättre liv Hur tekniken kan påverka mänsklig utveckling Hur teknik kan påverka mänsklig utveckling Det finns inte en enda aspekt av den mänskliga erfarenheten som inte har berörts av teknik, inklusive våra kroppar. Läs mer .

Bildkrediter: Lockheed-Martin, Cyberdyne

Utforska mer om: Bionic Technology.