Więcej możliwości dzięki egzoszkieletom oraz bionice
Zarząd japońskiej Sumitomo Mitsui Banking Corporation, zaniepokojony sygnałami o fizycznych trudnościach, z jakimi borykają się ich pracownicy, zwłaszcza ci starsi (2) – bo przenoszenie w sporych ilościach ciężkich banknotów lub monet odbija się na zdrowiu – postanowił zareagować.
Zaoferował załodze egzoszkielety, zaprojektowane tak, aby nawet o 40% ograniczać odczuwalną przez człowieka wagę przenoszonych przedmiotów. Jak na razie, jest to jedynie program pilotażowy dla niewielkiej grupy osób, lecz jeśli okaże się sukcesem, korporacja planuje rozszerzyć go na wszystkie swoje placówki. Wszak 16% pracowników Sumitomo (i 25% wszystkich w Japonii) to osoby mające ponad 65 lat.
W ubiegłym roku amerykański koncern Lockheed Martin rozpoczął testy egzoszkieletu FORTIS, który pozwala bez wysiłku dźwignąć 16 kg. Prawie jednocześnie świat obiegła informacja, że w koreańskich stoczniach firmy Daewoo już wkrótce pojawić się mają robotnicy wyposażeni w egzoszkielety dające nadludzką siłę.
Konstrukcje były testowane w stoczni Okpo-dong, należącej do czołowego światowego producenta statków. Egzoszkielet dla robotnika (3) – koreańska konstrukcja z włókien węglowych, stopów aluminium i stali – waży łącznie 28 kg, ale osoba, na którą zostanie nałożona, nie czuje tego ciężaru.
Struktura sama opiera się bowiem nie na podłożu, a obciążenie przenoszone jest przez metalowy szkielet, nie zaś przez ciało użytkownika. System nie przeszkadza robotnikowi chodzić w normalnym tempie. Pozwala za to podnosić ciężary do 30 kg. Baterie mają żywotność do trzech godzin działania. Obecnie trwają prace nad doskonaleniem systemu i wprowadzaniem korekt.
Niezbędne usprawnienia obejmują m.in. poruszanie się na pochyłych i śliskich powierzchniach oraz wykonywanie ruchów obrotowych – z tymi zadaniami egzoszkielety, a raczej ubrani w nie robotnicy, radzą sobie wciąż nienajlepiej.
Celem dalekosiężnym konstruktorów jest zbudowanie takiego wspomagania, które pozwoliłoby dźwignąć 100 kg, ale najpierw chcieliby oni zobaczyć swoje dzieła w normalnej stoczniowej pracy.
Nawet 50 kg dźwigniemy bez trudu, mając na sobie strój skonstruowany na Tokijskim Uniwersytecie Naukowym (4). Został zaprezentowany w roku 2013 na targach CEATEC, chociaż pierwsze wzmianki o opartym na sztucznych mięśniach egzoszkielecie datowane są na 2009 r. Tajemnica krzepy ukrytej w stosunkowo lekkiej konstrukcji tkwi w pneumatycznie wspomaganych „mięśniach” ramion urządzenia.
Nie są one bynajmniej prototypem. Wspomaganie takie jest produkowane przez firmę Kanda Tsushin. Konstruktorzy z uczelni połączyli pneumatykę z elektrycznymi sterownikami oraz zbiornikami ciśnieniowymi w niewielkim plecaku. Wspomaganie działa zarówno na plecy, jak i ramiona oraz łokcie. W sierpniu 2015 r. Mitsui, największa firma wydobywcza w Japonii, pokazała światu swój pierwszy prototyp egzoszkieletu.
Urządzenie nazywa się Assist Suit AWN-03 (5) i zostało opracowane we współpracy z firmami ActiveLink oraz Panasonic. Ważąca 6 kg maszyna pozwala noszącemu je pracownikowi bez żadnego wysiłku fizycznego podnosić ciężar o wadze 15 kg. W ciągu pierwszego roku produkcji firma zamierza sprzedać ok. tysiąca sztuk urządzenia. Trwają już prace nad wzbogaceniem projektu o znacznie większe i silniejsze kończyny.
Tomoya Tsutsumi z firmy Mitsui, otwarcie przyznaje, że inspiracją konstruktorów był potężny egzoszkielet transportowy pokazany w filmie „Obcy”. W ciągu najbliższych dwóch lat ten skromny egzoszkielet zostanie obudowany znacznie potężniejszą konstrukcją, pozwalającą na odciążenie pracy nóg i rąk operatora do tego stopnia, że staną się one właściwie niemal tylko kontrolerami.
Dodatkowe ręce i krzesło zawsze… na sobie
Noszenie ze sobą krzesła, aby móc usiąść i odsapnąć podczas pełnego bieganiny dnia, wydaje się pomysłem o tyle niezłym, o ile mało praktycznym. Jednak krzesło-nie-krzesło (Chairless Chair) to zupełnie inna koncepcja. Jest to zasadniczo egzoszkielet, który człowiek nosi na sobie przez cały czas (6).
Gdy ma ochotę usiąść, zgina się w odpowiedniej, wygodnej dla siebie pozycji, naciska guzik i konstrukcja zastyga, stając się siedzeniem. Keith Gunura, szef szwajcarskiej firmy, która chce produkować przenośne krzesełka-egzoszkielety, poinformował serwis CNN, że konstrukcja wykonana jest z aluminium i włókien węglowych, a waży 1,8 kg.
Do jej działania potrzebna jest jeszcze sześciowoltowa bateria, która starcza na dobę. Firma Gunury, noonee, chce zaoferować noszone krzesełka przemysłowi, gdyż uważa, że może to być idealne rozwiązanie dla pracowników hal montażowych. Gdy będą mogli oprzeć się w wygodnej siedzącej pozycji, mniej zmęczą się podczas pracy, co powinno zwiększyć
ich wydajność. Testy przenośnego siedziska mają przeprowadzić fabryki BMW i Audi. Nie wszystkie zastosowania maszyn zwiększających ludzkie możliwości muszą koniecznie być związane z pracą lub kompensowaniem wieku i niepełnosprawności. Można np. wykorzystać ramię-robota do namalowania obrazka.
Co więcej, by kontrolować poczynania artystyczne maszyny, wystarczą jedynie mrugnięcia i spojrzenia jej ludzkiego „opiekuna”. Dr Aldo Faisal z katedry Informatyki i Bioinżynierii londyńskiego Imperial College zademonstrował sprawny system, który pozwala człowiekowi manipulować mechanicznym ramieniem jedynie przy użyciu oczu (7).
Zasugerował, że może to dać podstawy nowej ery – napędzanej przez postępy w robotyce wielozadaniowości. Przy wykorzystaniu technologii śledzącej oczy użytkownika, robot jest w stanie otrzymywać i interpretować wachlarz komend, nawet takich jak „wyczyść pędzel”, czy „przygotuj inny kolor”.
Podobno, gdy maszyna trzyma już umoczony w farbie pędzel, malowanie staje się wyjątkowo intuicyjne. Przykładowo, by namalować linię, wystarczy spojrzeć na punkt początkowy, a następnie na końcowy. Trzykrotne mrugnięcie włącza tryb wyboru koloru, w którym pędzel zostaje przesunięty nad paletę wcześniej przygotowanych farb, a samo spojrzenie na żądaną barwę wydaje robotowi dyspozycję.
Jak twierdzi Faisal, jest to wstęp do technologii, która pozwoli człowiekowi posiąść „dodatkowe ręce”, na których brak tak często narzekamy. No i będzie to prawdopodobnie ogromne ułatwienie dla osób niepełnosprawnych.
Żołnierze przyszłości
Już w latach 60. XX wieku armia amerykańska opracowała pierwsze koncepcje egzoszkieletów przeznaczonych dla żołnierzy, ale z różnych powodów prace te nie wyszły poza ramy teorii. Najważniejszą barierą była technologia, która w tamtych czasach nie nadawała się do wsparcia budowy tego typu urządzeń. Dopiero miniaturyzacja mikroprocesorów i stworzenie sensorów bioelektrycznych reagujących na impulsy mięśniowe umożliwiły stworzenie takich konstrukcji.
W 2000 r. amerykańska agencja DARPA (Defense Advenced Research Projetcs Agency) uruchomiła program nazywający się „Exoskeletons of Human Perfomance Augmentation”, który oprócz noszenia ciężkich przedmiotów miał umożliwić żołnierzom ewakuację do dwóch rannych osób, a także skoki na duże wysokości.
Egzoszkielety militarne występują obecnie w kilku odmianach. Dotychczas przetestowano trzy podstawowe ich typy, które po udoskonaleniu mogą zostać wykorzystane w przyszłości na polu walki:
- BLEEX (Berkeley Lower Extremity EXoskeleton) (8) – stworzony w 2004 r. na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Laboratorium Robotyki i Inżynierii Ludzkiej w Berkeley. Egzoszkielet składa się z czterdziestu części, w tym siłowników hydraulicznych i czujników.
Jego celem jest odciążenie biodra i kończyn dolnych użytkownika, co odbywa się za pomocą komputera, analizującego ruchy ciała, napięcie mięśni i ciężar, który zostaje następnie równomiernie rozłożony. Dzięki temu można nosić ciężary do 80 kg. Człowiek staje się integralną częścią pancerza; - XOS1 i XOS2 (9) – opracowany wg tego samego programu co BLEEX, przez zespół Stephena Jacobsena, we współpracy z jego firmą Sarcoz z Salt Lake City. Podnoszenie w nim przedmiotu o masie 6 kg kosztuje człowieka wysiłek taki, jak przy 1 kg. XOS1 ma masę własną 68 kg, co pozwala na podnoszenie ciężarów do 90 kg. Działa od 30 do 45 minut.
Skonstruowany jest z trzydziestu siłowników, koordynowanych przez „inteligentne” urządzenie, płynnie monitorujące zachowanie się ciała. Na bazie doświadczeń XOS1 powstał ulepszony model, XOS2, w którym zdecydowaną poprawę zanotowano we wskaźniku wysiłkowym żołnierza. Wynosi on 17:1, co znaczy, że podnoszenie przedmiotu o masie 95 kg kosztuje tyle wysiłku, ile dźwignięcie 5,5 kg; - HULC (Human Universal Load Carrier) – skonstruowany w 2008 r. przez inżynierów z Berkeley Bionics, Laboratorium Robotyki i Inżynierii Ludzkiej Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Od 2009 r. jest rozwijany przez Lockheed Martin, właściciela licencji. Testuje się go na potrzeby US Army, we współpracy z NSR-DEC (Natick Soldier Research Development and Engineering Center).
9. Wojskowy egzoszkielet XOS2
10. Egzoszkielet na rękę – MAXFAS – poprawiający celność strzałów
Kilka lat temu Dowództwo Sił Specjalnych Stanów Zjednoczonych, w skrócie SOCCOM, zainicjowało trwający do dziś program budowy pancerza wspomaganego dla operatorów sił specjalnych, zwanego TALOS. Jest to skrót od nazwy Tactical Assault Light Operator Suit, który stanowi połączenie egzoszkieletu, systemu łączności i „ciekłego pancerza”.
Nauka poprawnego strzelania to zwykle ciężkie i wymagające sporego wkładu pracy zajęcie. Już wkrótce jednakże i tu z pomocą może przyjść technologia. Efektem pracy amerykańskich badaczy jest MAXFAS – egzoszkielet ręki, korzystający z aktywowanych przewodem ochraniaczy, korygujących mimowolne wstrząsy kończyny (10). Działa to więc na podobnej zasadzie, jak np. stabilizator kamery cyfrowej.
MAXFAS jest wykonany z włókna węglowego i samoczynnie uczy się różnic między świadomym ruchem (np. przy celowaniu), a takim, który trzeba stłumić. Technologia tego rodzaju będzie przydatna np. przy okazji treningu rekrutów wojskowych i ogólnie osób wymagających doszlifowania swych umiejętno-ści. Podczas pierwszych testów stwierdzono, że osoby,
które miały już do czynienia z MAXFAS, strzelały lepiej nawet po ściągnięciu wspomagacza. Mówi się też o wersji mobilnej, która miałaby dodawać skuteczności żołnierzom na prawdziwym polu bitwy. Czy z kolei Soft Exosuit (11) jest egzoszkieletem, który żołnierz bez nadmiernego obciążenia będzie mógł założyć i korzystać z dobrodziejstw „ekstra mocy”?
To się okaże podczas testów poligonowych. Na razie „robot, którego można założyć na siebie”, skonstruowany przez Instytut Wyss na Uniwersytecie Harvarda, a sfinansowany przez DARPA, jest przedstawiany jako „najlżejszy z dostępnych.” Twórcy nazywają go tak, gdyż stanowi raczej system dźwigni i przegubów zakładanych na kończyny i tułów niż coś, do czego trzeba by wchodzić, jak to ma miejsce w większości znanych dotychczas konstrukcji tego rodzaju.
Założeniem Soft Exosuit jest również to, aby w jak najmniejszym stopniu utrudniał poruszanie się. Naukowcy z Harvardu porównują go do „spodni”, które się zakłada, a centralny punkt obciążeniowy znajduje się w talii. Soft Exosuit, przynajmniej w tej wersji, którą zaprezentowano, nie służy do podnoszenia ciężarów, a raczej do wspomagania nóg w chodzeniu, dzięki czemu mógłby być wykorzystany również przez osoby niepełnosprawne.
W kosmos
Twórcy egzoszkieletów rozpatrują też możliwość wykorzystania ich przez astronautów – póki co, jako maszyn wspomagających trening. Takie urządzenie powstaje już w NASA, przy współpracy Florida Institute for Human and Machine Cognition oraz firmy Oceaneering Space Systems z Teksasu. Obejmujący nogi oraz tułów X1 (12) ma dziesięć stawów, z czego cztery zmotoryzowane.
Główne zadanie ważącego 26 kg zrobotyzowanego stroju jest inne niż jego ziemskich pierwowzorów. Zamiast wzmacniać ruchy użytkownika, stawia im opór, co pozwala na ćwiczenie ciała w stanie nieważkości. X1 miałby służyć do treningu astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Szkielet potrafi też mierzyć i przesyłać dane o stanie organizmu ćwiczącego do lekarzy na Ziemi. X1 nie będzie jednak tylko egzoszkieletem treningowym.
Gdy przestawi się go na tryb wzmacniania siły, wtedy – połączony ze skafandrem kosmicznym – będzie pomagał astronautom przy ciężkich pracach. Konstrukcja pozwoli na chodzenie nawet po nierównym terenie (pamiętajmy, że NASA wciąż myśli o misji na Marsa). Konstruktorzy zapewniają, że X1 znajdzie także wiele zastosowań na Ziemi, np. przy noszeniu ciężkich przedmiotów.
Wirtualne zdolności
Jeszcze inną ścieżką rozwoju technologii egzoszkieletów jest wykorzystywanie ich w świecie wirtualnej rzeczywistości. Dawałyby tam szanse interakcji z obiektami wygenerowanymi przez maszyny – to bardzo swoiście rozumiane nowe moce. W 2013 r. na Kickstarterze pojawiła się kampania firmy ARAIG na rzecz finansowania egzoszkieletu dla graczy (13), który dostarczałby im pełnej gamy wrażeń zmysłowych podczas wirtualnych akcji, w których uczestniczą.
Jeżeli pocisk trafi bohatera w tors, gracz naprawdę ma to odczuć. W całość wbudowane są także głośniki (łącznie z subwooferem). Aby wirtualna rzeczywistość dawała doświadczenia możliwie najbliższe pierwowzorowi, musi oddziaływać na wszystkie zmysły. Wzrok i słuch to w dostępnych urządzeniach oczywistość.
Dostarczenie zapachu nie wydaje się zadaniem niewykonalnym. Smak też chyba jest technologicznie osiągalny, choć potrzebny tylko w niektórych przypadkach. A dotyk? Tu jest trudniej, ale być może Dexmo – model egzoręki – pozwoli „dotknąć” i poczuć wirtualne przedmioty pod palcami (14).
Znane technologie i prototypy „wirtualnego dotyku” sprowadzają się zwykle do generowania wibracji lub innych prostych sygnałów wyczuwalnych pod palcami. Dexmo, przynajmniej wg opisów, dostarcza wrażenia oporu dotykanej powierzchni. Użytkownik ma czuć dotknięcia przedmiotu.
Opór stawiany palcom jest realny, gdyż w egzoszkielet wbudowano wyrafinowany system hamulców, zatrzymujących je w odpowiednim momencie. W efekcie dzięki oprogramowaniu i hamulcom palce zatrzymują się każdy w nieco innym punkcie wirtualnego przedmiotu zupełnie tak samo, jak gdyby spoczęły na powierzchni prawdziwego przedmiotu, np. piłki.
Supermięśnie
Stopniowo wchodzimy jednak głębiej – poza konstrukcje, które zakładamy na siebie, czy też do nich wchodzimy. Teraz zamiast ćwiczyć mięśnie, być może zechcemy sobie je wszczepić… Oczywiście nie takie zwykłe mięśnie, ale supermięśnie, zwiększające siłę tyle, ile dawałby mechaniczny egzoszkielet, a nawet więcej.
Dwa lata temu pojawiła się informacja, że naukowcy stworzyli sztuczne mięśnie, które są tysiąc razy silniejsze od mięśni przeciętnego człowieka. Wszystko dzięki zastosowaniu dwutlenku wanadu jako podstawowego budulca. Związek ten jest jednym z niewielu, które w niskich temperaturach zachowują się jak izolator, a po przekroczeniu 67°C staje się przewodnikiem.
Po podgrzaniu materiału, budujące go atomy ulegają natychmiastowemu ściśnięciu w jednym wymiarze, przy jednoczesnym rozciągnięciu w pozostałych dwóch. Wykorzystując to zjawisko, naukowcy stworzyli mikroskopijną cewkę, która działa jak mięsień potrafiący odrzucić od siebie 50 razy cięższy obiekt na odległość pięć razy większą od swojej długości. Co najciekawsze, cały proces trwa zaledwie 60 ms (milisekund).
Sztuczne mięśnie stworzone w oparciu o dwutlenek wanadu są niesamowicie wytrzymałe. W testach laboratoryjnych udało się je skurczyć i rozkurczyć milion razy, bez jakiejkolwiek awarii! A więc potężniejszego człowieka prawdopodobnie już wkrótce da się budować od środka. A przedrostek „egzo” może w ogóle stracić sens.
