Exoskeleton – o vonkajšej kostre snívajú vojaci aj hendikepovaní

Tak, ako čokoľvek, čo vymyslel človek, aj exoskeletony môžu pomáhať a chrániť, rovnako ako ohrozovať a ničiť. Stále v dokonalejšej podobe sa však začínajú objavovať v reálnom živote.

Ekso Bionics 3
ZDROJ | Ekso Bionics

Exoskeleton je výraz odvodený od označenia pre vonkajšiu kostru živočíchov – exoskelet. Ide o riešenie, na ktoré príroda prišla stovky miliónov rokov pred nami, ešte pred príchodom stavovcov patriacich do kmeňa chordáty.

V skutočnosti mali prvé vyššie živočíchy žijúce v pravekých oceánoch práve vonkajšiu kostru. Aj dnes je tento koncept v živočíšnej ríši hojne využívaný a vonkajšiu kostru má mnoho druhov hmyzu, mäkkýšov a ďalších tvorov. Jej základom je spravidla chitín, uhličitan vápenatý, alebo fosforečnany.

Bez pohonu to nepôjde

Exoskeletony vyrobené človekom sa prírodou v mnohom inšpirovali a majú aj podobnú funkciu, ako exoskelety živočíchov. Ich funkciu zhodou okolností dobre charakterizuje slogan (aj) našej polície: „Pomáhať a chrániť“.

Tak ako vnútorná kostra upína svaly a udržuje telo v stabilnej, alebo v akejkoľvek inej aktuálne potrebnej polohe, aj technický exoskeleton pomáha udržiavať polohu tela. Môže však aj simulovať, prípadne stimulovať funkcie svalov, a taktiež slúžiť ako ochranný pancier proti vonkajším vplyvom.

Na rozdiel od prírodných vonkajších kostier sa však väčšina umelých exoskeletonov podieľa na podpore pohybu aktívne. Nie je teda odkázaná na energiu svalov svojho používateľa, ale naopak, túto energiu svalov buď posilňuje, alebo ju dokonca nahrádza úplne.

Z tohto dôvodu potrebujú aktívne exoskeletony vlastný pohonný mechanizmus i zdroj energie.

Predstavu vojenských exoskeletonov ako "dvojnohých tankov" sme mohli vidieť aj v sci-fi Avatar.
Predstavu vojenských exoskeletonov ako „dvojnohých tankov“ sme mohli vidieť aj v sci-fi Avatar.ZDROJ | Gamer

V niektorých prípadoch má exoskeleton navyše aj ochrannú funkciu, podobne, ako je to v prípade chitínových či vápenatých schránok mnohých živočíchov od chrobákov, po slimáky a morské mäkkýše.

Moderné riešenia túto vlastnosť pridávajú pri armádnych aplikáciách, avšak nemýľme si takýto exoskeleton so stredovekým brnením. To bolo skôr odevom a tak trochu predobrazom modernej nepriestrelnej vesty.

Ak ste videli scény z filmu Avatar, Terminátor, Votrelec 2, alebo iného sci-fi, isto si spomeniete na bojovníkov ukrytých v mohutných kráčajúcich monštrách, odkiaľ neohrozene pália do nepriateľov.

Možno toto je jedna z predstáv vojenského výskumu nových zbraňových systémov pechoty, aj keď príliš prakticky ani racionálne nevyzerá. „Kráčajúci tank“ poskytuje omnoho väčší profil na zásah, ako klasické bojové vozidlo a má menšiu stabilitu.

Okrem toho definíciu exoskeletonu spĺňa len pri voľnom výklade. To však neznamená, že vojaci exoskeletony nevyvíjajú. Práve naopak, armáda (a nielen americká DARPA) patrí k štedrým sponzorom ich výskumu.

A aj keď generalitu sotva môžeme podozrievať, že jej primárne ide o zlepšenie kvality života zranených veteránov, z výskumu určite budú môcť profitovať aj civilisti.

exoskeleton-HULC
ZDROJ | Lockheed Martin

Do koča aj do (bojového) voza

Vojaci musia často pri presunoch prenášať ťažké náklady a vybavenie na veľké vzdialenosti. Tento údel im exoskeletony pomôžu uľahčiť. Jeden takýto systém znižujúci záťaž na telo vojaka vyvinuli na objednávku DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) vedci z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering pri Harvardskej univerzite.

Exoskeleton využíva systém napájaných káblov poskytujúci mechanickú podporu a rozkladá ťažné sily pri fyzických pohyboch. Jeho nositeľ potom vynaloží menej energie z vlastných svalov.

Pozrite siExoskeleton od Lockheed Martin dá námorníkom železné svaly

Jeden z prototypov exoskeletonu momentálne testuje US Army Research Laboratory (ARL) v Aberdeen Proving Ground v Marylande. Vojaci nosia ľahký exoskeleton pod kompletnou sadou výzbroje počas trojmíľových (cca 4,8 km) pochodoch po pozemných komunikáciách a v mierne členitom zalesnenom teréne.

exoskeleton-XOS2
ZDROJ | XOS

Technici monitorujú dĺžku krokov a veľkosť svalovej aktivity vojakov. Riešenie má pomôcť zvládnuť vojakom dlhšie trasy pochodu pri nosení ťažkých bremien s menším úsilím, a zároveň minimalizovať riziko poranenia.

DARPA má už ale na vojenské exoskeletony pozornosť zacielenú dlhé roky. Pôvodným zámerom bol exoskeleton pre logistiku a zásobovanie, ale ľahko si predstavíme varianty pre bojové operácie (napríklad prevoz a použitie ťažkých zbraní), alebo transport ranených vojakov z bojiska.

Už v roku 2000 udelila DARPA grant SARCOS-u, robotickej divízii spoločnosti Raytheon na vývoj poháňaných vojenských exoskeletonov. Výsledkom bol exoskeleton XOS, ktorého servomotory poháňal malý spaľovací motor.

Tento monštruózny oblek vážil až 68 kg, ale údajne dokázal zvládnuť až 90 kg záťaže. V roku 2010 SARCOS predstavil inovovanú verziu XOS 2, ktorá bola ľahšia a energeticky úspornejšia.

Exoskeleton dostal prezývku „oblek Iron Mana“ a magazín TIME ho označil za jeden z 50 najlepších vynálezov roku 2010.

exoskeleton-XOS
ZDROJ | XOS

Ďalším perspektívnym dodávateľom exoskeletonov pre americkú armádu je známa zbrojovka Lockheed Martin. Už v roku 2014 armáda začala testovať bezmotorový exoskeleton FORTIS od uvedeného výrobcu.

Tieto vonkajšie skelety majú pomôcť námornému personálu nosiť a držať ťažké pracovné náradie s menšou námahou a dlhšiu dobu. V prípade FORTIS-u teda ide viac-menej o oporu. Slúži podobne ako opasok či popruhy, ktoré pomáhajú rozložiť váhu nákladu, alebo náradia.

Pasívny exoskeleton FORTIS od Lockheed Martin je hlavne oporou. Pomohol by aj montérom.
Pasívny exoskeleton FORTIS od Lockheed Martin je hlavne oporou. Pomohol by aj montérom.ZDROJ | Lockheed Martin

Už niekoľko rokov predtým však Lockheed Martin vyvinul v spolupráci s Berkeley Bionics a dodal armáde na testovanie aj aktívny exoskeleton HULC (Human Universal Load Carrier) s pohonom na batérie.

Ten je určený pre bojové nasadenie, aby vojakom pomohol uniesť vybavenie a rýchlejšie sa pohybovať. Podobné poslanie ako v armáde majú exoskeletony aj v priemyselnej výrobe, prípadne v logistike.

Ich úlohou je odstraňovať či znížiť fyzickú námahu, a tak zlepšiť produktivitu práce, prípadne umožniť pracovníkom manipulovať s ťažšími bremenami.

Pozrite siDaewoo nasadí exoskeletony. Bude z robotníka Iron Man?

Medzi priekopníkov nasadzovania exoskeletonov vo výrobe patrí juhokórejské Daewoo. Firma vo svojich lodeniciach plánuje vo výrobe nasadiť špeciálne robotické obleky pre vybraných pracovníkov.

Zariadenie má hydraulicky podporované ramená z uhlíkových vlákien, zliatin hliníka a oceľový rám, pričom umožní pracovníkovi dvíhať bremená s hmotnosťou do 32 kg. Daewoo plánuje dokonca v budúcnosti zvýšiť nosnosť exoskeletonu na 200 libier (90,7 kg).

Najslabším článkom výbavy však bude zrejme energia na napájanie servomotorov. Exoskeleton, ktorý testuje Daewoo, vydrží na batérie pracovať len tri hodiny.

ReWalk
ZDROJ | JENNIFER COLLINS PHOTOGRAPHY

Nádej pre hendikepovaných

Vedci možno pri vývoji exoskeletonov myslia na supermanov a superhrdinov, ale naozajstným požehnaním sa tieto systémy môžu stať pre paralyzovaných a fyzicky hendikepovaných ľudí.

Invalidov dokážu zdvihnúť z vozíčkov a postaviť ich opäť na nohy, osobám s oslabeným svalstvom umožnia dlhšiu chôdzu, alebo pohyb končatín všeobecne. Takýchto riešení sa v posledných rokoch objavilo množstvo. Jedným z významných hráčov na trhu je kalifornská firma EKSO Bionics.

Spoločnosť s pôvodným názvom Berkeley ExoWorks sa výrobou bionických systémov zaoberá už od roku 2005, kedy predstavila robotický nosič ExoHiker. Ten umožnil turistom odniesť náklad až 68 kg pri vlastnej hmotnosti systému 14 kg. Ovládaný bol pomocou LCD displeja a napájanie zabezpečila Li-pol batéria.

Pozrite siS exoskeletonom sa šľape ľahšie

Modifikáciou exoskeletonu ExoHiker vznikol systém ExoClimber určený pre horolezcov. Zariadenie s hmotnosťou 22,7 kg pomôže horolezcovi vertikálne vyniesť náklad 68 kg do výšky 600 stôp (183 m) na každú libru (0,454 kg) Li-pol batérií.

S kilogramovou batériou tak môže horolezec vyniesť 50 kg vrece cementu prakticky na ktorýkoľvek mrakodrap.

Exoskeleton EKSO pri demonštrácii v rámci bionického rehabilitačného programu v Mount Sinai Rehabilitation Center v New Yorku.
Exoskeleton EKSO pri demonštrácii v rámci bionického rehabilitačného programu v Mount Sinai Rehabilitation Center v New Yorku.ZDROJ | CBS News

Firma stojí aj za vývojom už spomínaného exoskeletonu HULC, ktorý vyvinula ako Berkeley Bionics v roku 2009. Neskôr uzavrela výhradnú licenčnú dohodu na jeho vývoj s Lockheed Martin.

Dôležité však je, že Berkeley Bionics je aj tvorcom bionického exoskeletonu  eLEGS (Exoskeleton Lower Extremity Gait System), ktorý umožňuje používateľom invalidných vozíkov stáť a chodiť. Objavil sa v roku 2010.

Keď sa v roku 2011 firma opäť premenovala, tentoraz na EKSO Bionics, tento zdravotnícky exoskeleton dostal nový názov EKSO. EKSO je hydraulický exoskeleton umožňujúci paraplegikom stáť a chodiť s barlami.

Počítačové rozhranie využíva silové a pohybové senzory na monitorovanie pohybu užívateľa, a pomocou týchto údajov predvída zámery a vykonáva pohyb. Váži asi 20 kg a pri 6-hodinovej výdrži batérií dosiahne slušnú rýchlosť maximálne 3,2 km/hod.

Pozrite sisuitX je exoskeleton, ktorý vozíčkárov postaví na nohy

Používateľ s ním dokáže chodiť vzpriamene, vstať zo sedu, stáť dlhšiu dobu na mieste a sadnúť si zo stoja. Exoskeleton EKSO získal už v roku 2012 osvedčenie amerického úradu FDA pre použitie v nemocniciach v USA a osvedčenie CE pre EÚ.

Odvtedy firma dodáva exoskeletony do desiatok rehabilitačných centier v USA, aj v Európe. EKSO však nepatrí k lacným pomôckam. Jeho cena sa pohybuje okolo 100 000 USD.

Exoskeleton Phoenix od suitX je ľahší a podstatne lacnejší, ako EKSO.
Exoskeleton Phoenix od suitX je ľahší a podstatne lacnejší, ako EKSO.ZDROJ | SuitX

Cenu však môžu znížiť noví hráči na trhu a ich produkty. Z najnovších spomeňme exoskeleton Phoenix od spoločnosti suitX z University of California.

Mimochodom šéfom suitX je Dr. Homayoon Kazerooni, bývalý zakladateľ EKSO Bionics, takže firma rozhodne stavia na pevnom základe.

Pozrite siMyšlienkami ovládané exoskeletony pomôžu postihnutým

Phoenix umožní pacientom pohybovať sa až štyri hodiny rýchlosťou 1,77 km/hod. Pri sporadickom využívaní podpory (napríklad pri chôdzi do kopca) vydržia batérie až osem hodín.

Phoenix má hmotnosť 12,25 kg a čo je dôležité, má stáť „len“ 40-tisíc amerických dolárov. Cena stále nie je malá, ale je menej ako polovičná oproti exoskeletonu EKSO.

Ekso Bionics 1
ZDROJ | Ekso Bionics

 

Sofistikované robotické riešenia sú nákladné, avšak ceny môžu klesnúť s rozvinutím sériovej výroby a konkurencie. Nakoniec, koľko stojí radosť zo znovuobjaveného pohybu?

Ekso Bionics 4
ZDROJ | Ekso Bionics

Komentáre k článku