Екзоскелет (біоніка)

Екзоскеле́т (від грец. έξω — зовнішній і σκελετος — скелет) — пристрій, призначений для поповнення втрачених функцій, збільшення сили м'язів людини і розширення амплітуди рухів за рахунок зовнішнього каркаса і привідних елементів[1].

Ескіз екзоскелета Міністерства оборони США.

Екзоскелет повторює біомеханіку людини для пропорційного збільшення зусиль під час рухів. Для визначення цих пропорцій слід користуватися поняттям анатомічна параметризація.

Анатомічна параметризація — це визначення відповідностей між різними анатомічними характеристиками будови людського тіла і параметрами механічного пристрою, що обумовлюють оптимальну роботу утворюваної при цьому біомеханічної системи.[2][3]

За повідомленнями у відкритій пресі, реально діючі зразки в даний час створені в Японії, Ізраїлі, США[4] і Росії.[5]

В Україні киянин Антон Головаченко побудував оригінальний екзоскелет, який набуває популярності в світі[6]

Історія

Перший екзоскелет був спільно розроблений General Electric і United States military в 60-х, і називався Hardiman. Він міг піднімати 110 кг при зусиллі, що застосовується при підйомі 4,5 кг. Однак він був непрактичним через його значну масу в 680 кг. Проект не був успішним. Будь-яка спроба використання повного екзоскелета закінчувалася інтенсивним неконтрольованим рухом, в результаті чого ніколи не перевірявся з людиною всередині. Подальші дослідження були зосереджені на одній руці. Хоча вона мала піднімати 340 кг, її вага становила 750 кг, що в два рази перевищувало підйомну потужність. Без отримання разом всіх компонентів для роботи практичне застосування проекту Hardiman було обмежено[7].

Екзоскелет ReWalk, розроблений ReWalk Robotics, дозволяє паралізованим людям ходити. Нова система, за словами дослідників, може застосовуватися пацієнтами в повсякденному житті[8].

Класифікація

Екзоскелети, створені на сьогоднішній день, або знаходяться в стадії перспективних розробок можуть бути класифіковані за такими ознаками[9]:

  • Тип виконавчого механізму
  • Наявність приводу посилення зчленувань
  • Анатомічна локалізація посилених зчленувань
  • Наявність вбудованого джерела енергії
  • Вид використовуваного силового приводу
  • Спосіб отримання сигналу
  • Тип силової установки і джерела енергії
  • Область практичного застосування

Напрямки розробки
Екзоскелет в складі концепту « Future Soldier» армії США.

Головним напрямом розробок є військове застосування екзоскелетів з метою підвищення мобільності тактичних груп і підрозділів, що діють у пішому порядку, за рахунок компенсації фізичного навантаження солдат, зумовленого значною вагою екіпіровки.[10] Зменшення фізичного навантаження для підвищення рухливості і швидкості також може поєднуватися зі збільшенням сили того, хто використовує екзоскелет.

Інтеграція у бойове спорядження буде супроводжуватися перетворенням екзоскелета на багатофункціональну систему. Окрім основного призначення, він може виконувати функції електрогенератора, сховища акумуляторних батарей, каркаса для кріплення модулів бронезахисту, засобів телекомунікацій, різних сенсорів і датчиків, проведення ліній електроживлення та передачі даних.[10] Заслуговує на увагу застосування екзоскелета як складового елементу конструкції сидінь, що забезпечує фіксацію солдата та його захист від перенавантажень під час підриву мін [11] , а також в якості антенної системи для передачі і прийому радіосигналів.[10]

Іншою можливою областю застосування екзоскелетів є допомога травмованим людям і людям з інвалідністю, літнім людям, які в силу свого віку мають проблеми з опорно-руховим апаратом.

Модифікації екзоскелетів, а також окремі їх моделі, можуть надавати значну допомогу рятувальникам при розборах завалів зруйнованих будівель. При цьому екзоскелет може захистити рятувальника від падіння уламків.

У 1960-і рр. компанія General Electric розробила електричну і гідравлічну конструкцію під назвою Hardiman, за формою нагадувала навантажувач-екзоскелет, який лейтенант Еллен Ріплі (У фільмі « Чужі») використовує в фінальному бою проти матки Чужих , однак при вазі в 1500 фунтів (680,4 кг) конструкція була неефективна.

Робочі приклади екзоскелетів були побудовані, але широке застосування таких моделей поки неможливо. Це, наприклад, екзоскелет XOS компанії Sarcos, який був розроблений на замовлення армії США. За заявами преси, машина вдало спроектована але, через відсутність акумуляторів достатньої ємності, демонстрацію довелося проводити в режимі роботи від мережі (ролик з демонстрацією є на YouTube[12]).

Пасивний екзоскелет компанії LAEVO

Деякі екзоскелети (Hybrid Assistive Limb, Honda Walking Assist Device) позиціонуються як пристрої для людей з проблемами опорно-рухового апарату[13]. Honda Walking Assist Device був зроблений компанією Honda в трьох розмірах — малий, середній (маса 2,8 кг), великий.

Компанія Ekso, яка спеціалізується на розробці екзоскелетів, одягла у екзоскелети співробітників компанії Ford: 2018 року саме завдяки екзоскелетам EksoVest кількість лікарняних на виробництві стала однією з найнижчих в історії компанії.[14][15]

Компанія Laevo (Нідерланди) розробила пасивний варіант екзоскелета, в якому використані гідравлічні циліндри. Він призначений для полегшення виконання логістичних операцій і знижує суб'єктивне сприйняття навантаження на 40 - 50 %. При нахилах тулуба та присіданнях в гідроциліндрах екзоскелета формується надмірний тиск, що вивільняється у процесі повернення тіла в вертикальне положення, утворюючи в той момент додаткове зусилля для розвантаження відповідних м'язів. Вага виробу версії V2.4 стновить 2,5 кг, версії V2.5 - 2,8 кг. Гідроциліндри розраховані мінімум на 250 тис. спрацьовувань протягом 3 років. Температура оточуючого середовища в процесі експлуатації має бути плюсовою. Екзоскелет отримав медичний сертифікат "CE - Medical Device Class I".

Див. також

Примітки
  1. Волгоградский государственный медицинский университет (ВолгГМУ). www.volgmed.ru. Процитовано 12 жовтня 2015. (C. 71).
  2. ЖУРНАЛ АНАТОМИИ И ГИСТОПАТОЛОГИИ. www.janhist.ru. Архів оригіналу за 4 березня 2016. Процитовано 12 жовтня 2015.
  3. Волгоградский государственный медицинский университет (ВолгГМУ). www.volgmed.ru. Процитовано 12 жовтня 2015.
  4. Кибернетические штаны поднимают своего хозяина по лестнице Архівовано 11 березня 2008 у Wayback Machine.. 5 березня 2004
  5. [http://www.exoatlet.ru/ Российские ученые из проекта ЭкзоАтлет представили первый действующий образец экзоскелета]. 15 августа 2013
  6. МОЛОДИЙ ГЕНІЙ-ІНЖЕНЕР: УКРАЇНСЬКИЙ СТУДЕНТ СТВОРИВ ЕКЗОСКЕЛЕТ, ЩО ЗБИРАЄ НАГОРОДИ ПО ВСЬОМУ СВІТУ
  7. Екзоскелет (англ.)
  8. This Exoskeleton Allows Paralyzed People To Walk | IFLScience
  9. А. Верейкин. Виды и классификация экзоскелетов.
  10. Слюсар, В.И. (2018). Тактический экзоскелет как антенная система.. Зб. матеріалів VI міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми координації воєнно-технічної та оборонно-промислової політики в Україні. Перспективи розвитку озброєння та військової техніки”. – Київ. – 2018. – C. 139 - 140. doi:10.13140/RG.2.2.16203.03362.
  11. Слюсар, В.И. (2017). Перспективні підходи до дизайну сидінь бойових транспортних засобів.. Зб. матеріалів 17-ї науково-технічної конференції “Створення та модернізація озброєння і військової техніки в сучасних умовах”.– Чернігів: Державний науково-випробувальний центр Збройних Сил України. – 07 -08 вересня 2017 р. - C. 334 - 335.
  12. Ролик с демонстрацией экзоскелета XOS на YouTube
  13. Honda создала портативный экзоскелет для пожилых. 22 апреля 2008
  14. We Try a New Exoskeleton for Construction Workers. WIRED (амер.). Процитовано 4 вересня 2018.
  15. Ford одягне працівників на заводах в екзоскелети. Tokar.ua (uk-UA). 22 серпня 2018. Процитовано 4 вересня 2018.

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.