O egzoszkieletach odrobinę więcej

Pisaliśmy już w MT o historii egzoszkieletów. Tym razem skupimy się na innych aspektach tego wynalazku.

I. Egzoszkielety - Materiały

Aby skonstruować egzoszkielet, inżynierowie potrzebują lekkich materiałów, które mogą wytrzymać duże siły. Wskaźniki dla materiałów takich jak stal i aluminium kształtują się na poziomie ok. 100 do 250 kNm/kg, podczas gdy włókna szklane zapewniają już ok. 1300 kNm/kg. Włókno węglowe oferuje ponad 2400 kNm/kg, a nowe technologie, takie jak nanorurki węglowe, przekraczają 40 tys. kNm/kg i 62 GPa wytrzymałości na rozciąganie. Nowe procesy i rozwiązania koncentrują się więc na dążeniu do zmniejszenia masy egzoszkieletu przy jednoczesnym zwiększeniu wytrzymałości. Przykładem pożądanego materiału może być stop aluminium 6061, powszechnie stosowany, łatwo dostępny, lekki i prosty w obróbce.

II. Egzoszkielety - Sterowanie

Egzoszkieletem można sterować na cztery sposoby:

mechanicznie - takie sterowanie stosowane jest wówczas, gdy użytkownik pozostaje częściowo sprawny i może kontrolować egzoszkielet manualnie, np. rękami za pomocą joysticka;
głosem - to metoda przydatna dla osób niemających możliwości ruchowych, ale potrafiących wypowiadać komendy głosowe. Są one przesyłane za pomocą mikrofonu do komputera, a w nim interpretowane na konkretne funkcje egzoszkieletu. Z komputera wysyłana jest do sterownika odpowiednia seria instrukcji do wykonania, np.: podnieś rękę, wstań, idź itp.;
czujnikami naskórnymi lub podskórnymi (implantami) - sposób polega na założeniu pacjentowi serii implantów, które, wzmacniając impulsy nerwowe, odczytują na ich podstawie intencje ruchowe osoby, a następnie przekazują je do komputera sterującego. Wymagana jest tu częściowa sprawność układu nerwowego;
bezpośrednio, z użyciem fal mózgowych - teoretyczna metoda sterowania egzoszkieletem, dla której nie opracowano jeszcze działających prototypów. Po podłączeniu do głowy osoby serii elektrod, odpowiednie rodzaje impulsów przekazywane byłyby do komputera, który na tej podstawie uruchamiałby odpowiednie funkcje egzoszkieletu.

III. Egzoszkielety - Pola zastosowań

1. Przemysł, budownictwo, górnictwo, rolnictwo, magazyny

Na spotkanie z osobą korzystającą z egzoszkieletu mamy dziś szansę przede wszystkim w następujących sytuacjach:
● w przemysłowych halach produkcyjnych, gdzie odbywa się montaż ciężkich przedmiotów w warunkach ograniczonych przestrzennie;
● w sytuacjach, w których pracownik narażony jest na długotrwałe przebywanie w niekorzystnych, niekomfortowych pozycjach;
● wszędzie tam, gdzie wymagane jest wielokrotne pokonywanie pieszo nawet krótkich odcinków lub długotrwałe przebywanie w pozycji stojącej.

2. Medycyna - rehabilitacja

Egzoszkielety nie tylko łączą funkcje wózka i robota rehabilitacyjnego, ale umożliwiają terapię 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, podczas normalnego, codziennego funkcjonowania, z zachowaniem dwunożnej mobilności i pełnego wsparcia w każdej pozycji. Dopasowanie egzoszkieletu umożliwia trwałe przyjmowanie normalnej postawy ciała. W trakcie trwających rozmaitych rehabilitacji urządzenia te zmniejszają pracochłonność i czasochłonność poszczególnych ćwiczeń, szczególnie tych wymagających do tej pory jednoczesnego udziału więcej niż jednego terapeuty, np. w reedukacji chodu. Zapewniają pełną powtarzalność pojedynczych ruchów lub ich sekwencji, jak również całych sesji terapeutycznych. Ułatwiają wprowadzenie korekt w planie terapii. Zwiększają motywację pacjentów, często z wykorzystaniem prostych gier lub środowisk rzeczywistości wirtualnej. Zmniejszają przy okazji ryzyko popełnienia błędu przez personel medyczny lub samego pacjenta.

3. Wojsko

Eksperci są zgodni co do tego, że współczesne obciążenie żołnierzy stało się zbyt duże i stanowi czynnik ryzyka, ponieważ może powodować nadmierne kontuzje, urazy, a także spadek sprawności bojowej. Departament US Army określił w pięciu kluczowych obszarach wymagania dotyczące egzoszkieletów bojowych (The Mission Needs Statement for The Enhanced Integrated Soldier System-Dismounted TEISS-D). W ich konstrukcji stosuje się więc synergię: mechaniki, elektroniki, automatyki, informatyki oraz szeroko pojętej optymalizacji w procesie projektowania i wytwarzania. Wykorzystanie dużej liczby czujników ruchu, tensometrów, a także innych bardzo zaawansowanych urządzeń, które dokonują obliczeń napięcia mięśnia, wychylenia stawu czy samego ruchu żołnierza, oraz przekonwertowanie danych na zoptymalizowany ruch, i to w wielu płaszczyznach, nie jest zadaniem łatwym. Sterowanie egzoszkieletem może zostać w przyszłości rozwiązane z wykorzystaniem sieci neuronowych.

M.U.