Egzoszkielety - skromniej znaczy skuteczniej

Egzoszkielety - skromniej znaczy skuteczniej
We wrześniu 2017 r. Claire Lomas, 36-letnia kobieta w szesnastym tygodniu ciąży, sparaliżowana od klatki piersiowej w dół, ukończyła półmaraton zwany w Wlk. Brytanii Wielkim Biegiem Północnym. Przy pomocy egzoszkieletu fi rmy ReWalk Robotics (1).

Lomas stała się sławna już w roku 2012, po tym jak we wcześniejszej konstrukcji tego samego producenta ukończyła słynny maraton w Londynie. Najnowszy model, z którego korzystała tym razem - ReWalk 6.0, umożliwia osobom z urazem rdzenia kręgowego stanie w pozycji pionowej i chodzenie.

ReWalk był pierwszym rozwiązaniem egzoszkieletowym, które otrzymało zezwolenie amerykańskiego urzędu leków (FDA) na wykorzystywanie zarówno w domu, jak i w warunkach rehabilitacyjnych.

W grudniu 2015 r. Departament Spraw Weteranów Stanów Zjednoczonych ogłosił, że rozpocznie pokrywanie kosztów używania ReWalk dla kwalifikujących się do tego sparaliżowanych weteranów. Był to pierwszy taki program refundujący egzoszkielety w Stanach Zjednoczonych i zapewne na świecie. A branża medyczna i rehabilitacja stanowią dopiero początek przygody z tymi przydatnymi konstrukcjami.

Trzeba przyznać, że egzoszkieletom poprzeczkę ustawił bardzo wysoko Hollywood. Technologie pokazywane w "Iron Manie", "Obcych" i "Awatarze" - zapewniające ludziom nadludzkie siły i możliwości - wciąż działają na wyobraźnię. Podziałały zapewne również na wyobraźnię konstruktorów, zwłaszcza wojskowych. Niestety, szybko okazało się, że to, co demonstrowali filmowcy, pozostaje dla nas nieosiągalne.

Jednak po latach można powiedzieć, że nadszedł moment, gdy egzoszkielety zaczynają wreszcie wychodzić z pracowni badawczych i trafiać na rynek. Z tym że zamiast walczyć z pozaziemskimi agresorami, sprzymierzają się z robotnikami fabryk, budowlańcami, pracownikami magazynów i osobami niepełnosprawnymi.

Ford nawiązał współpracę z producentem egzoszkieletów Ekso Bionics

Praca we współczesnej fabryce samochodowej nie jest zbyt fizycznie wymagająca, a najcięższe działania wykonują roboty. Jednak mimo tego, że robotnicy nie muszą przenosić już tak wielkich ciężarów jak kiedyś, wciąż powtarzają te same żmudne i trudne czynności do 1600 razy dziennie, czyli po kilkaset tysięcy razy w roku.

Aby zmniejszyć te obciążenia i ryzyko urazów, Ford nawiązał współpracę z kalifornijskim producentem egzoszkieletów Ekso Bionics w celu wypróbowania pasywnego (czyli pozbawionego żadnych napędów) rozwiązania do górnej części ciała, o nazwie EksoVest (2).

- Współpraca z Fordem umożliwiła nam przetestowanie i udoskonalenie wczesnych prototypów systemu - stwierdził cytowany w komunikacie prasowym Forda współzałożyciel Ekso Bionics, Russ Angold.

- Uwagi zebrane bezpośrednio od załóg linii produkcyjnych były bezcenne. Efektem stało się narzędzie, które zmniejsza obciążenie ciała pracownika, redukując ryzyko urazów i pomagając mu czuć się lepiej pod koniec dnia, zwiększając przy okazji wydajność.

2. Pracownik zakładów Forda w egzoszkielecie

Zachęcony dobrymi wynikami Ford planuje rozszerzyć swój pilotażowy program na zakłady montażowe, w tym w Europie i Ameryce Południowej..

Lista potencjalnych użytkowników egzoszkieletów jest długa i powiększa się. Obejmuje przede wszystkim osoby niepełnosprawne i starsze, ale z egzoakcesoriów odzieżowych mogliby skorzystać także pracownicy spedycyjni i przemysłowi, firmy zajmujące się wyrębem drewna oraz górnicy, strażacy czy ratownicy..

Piąta generacja

3. Egzoszkielet HAL

Jednym z najnowocześniejszych egzoszkieletów do zastosowań cywilnych jest model HAL (Hybrid Assistive Limb) - dostępny aktualnie w wersji HAL-5 (piąta generacja). Urządzenie opracował w 2006 r. japoński naukowiec dr Yoshiyuki Sankai z Uniwersytetu Tsukuba, a jego produkcją zajmuje się powołana specjalnie w tym celu spółka Cyberdyne.

HAL-5 (3) składa się z metalowego szkieletu pokrytego tworzywem sztucznym, pod którym umieszczone są wszelkie niezbędne elementy urządzenia, silniki i układ kontrolno-sterujący. Jest on mocowany systemem pasków do tułowia i kończyn pacjenta, zapewniając mu zewnętrzne wzmocnienie w każdej pozycji podczas poruszania się, a także zwiększenie możliwości kończyn górnych i dolnych poprzez dodawanie do siły człowieka mocy silników egzoszkieletu.

Moc owych silników wystarcza, aby dodać do udźwigu człowieka ok. 40 kg, bez względu na to, jaki ciężar mógł on unieść bez urządzenia, i pozwolić mu utrzymać taki ciężar w rękach przez 5-10 minut. Urządzenie waży ok. 15 kg (wersja na kończyny dolne) lub 24 kg (kończyny dolne i górne), a dwa zestawy akumulatorów zapewniają pracę średnio przez 2,5 godziny.

Poprawne działanie umożliwiają czujniki zmiany kąta położenia, bioelektryczne, nacisku na podłoże oraz inne, monitorujące stan urządzenia i operującego nim człowieka. W tylnej części robota znajdują się napędy, system pomiarowy, komputer, bezprzewodowa sieć LAN i zasilanie. Dzięki bateriom przymocowanym na poziomie talii HAL jest kompletnym, zrobotyzowanym systemem zdolnym do noszenia przez człowieka.

Za odczyt i interpretację zamiarów użytkownika - kierunku, w którym chce on iść, szybkości poruszania się, wchodzenia lub schodzenia po schodach - odpowiadają czujniki przymocowane do jego nóg. Odbierają one zmiany natężenia pola elektrycznego występujące w momencie przesyłania przez mózg impulsów do mięśni, a odczytujący komputer podejmuje decyzję, który silnik uruchomić. Cała procedura trwa ułamek sekundy.

Urządzenie uruchamia się automatycznie, gdy tylko osoba używająca egzoszkieletu zaczyna kroczyć. Komputer sprawdza, w jakiej postawie człowiek stoi i idzie, jaki jest jego styl chodzenia, które mięśnie działają sprawnie, a które wymagają mechanicznego podparcia. Po chwili HAL przystosowuje się do wymagań użytkownika i zaczyna aktywnie wspomagać jego ruchy – działanie może być kalibrowane w zależności od indywidualnych potrzeb, pozwalając np. na większe wspomaganie jednej z kończyn.

HAL-5 jest przeznaczony zwłaszcza do wspomagania poruszania się ludzi starszych, osób z niedowładem kończyn, a także jako pomoc w rehabilitacji. Dzięki niemu człowiek jest w stanie samodzielnie przemieszczać się niewielkim nakładem sił, a nawet wykonywać prace domowe, nie narażając się na częste upadki. Jego konstruktor twierdzi, że kolejne etapy modernizacji egzoszkieletu będą prowadziły w kierunku stworzenia cienkiego kombinezonu, umożliwiającego użytkownikowi swobodne ruchy, a nawet bieg.

Wyeliminować znój

Mottem cytowanego już Russa Angolda, prezesa i współzałożyciela firmy Ekso Bionics, jest - "najpierw wytrzymałość, a potem moc". Jego firma projektuje systemy pasywne, bez zasilania, co nie znaczy, że wspomaganie nie jest przewidziane w ogóle. W ocenie Angolda, to po prostu kolejny etap, podczas gdy obecnie należy udoskonalić samą konstrukcję egzoszkieletów.

Za ruch urządzenia wspomaganego odpowiedzialny jest zazwyczaj system siłowników elektrycznych, pneumatycznych lub hydraulicznych, mocowanych w jednolitej osłonie. Aktywne egzoszkielety są zasilane przy pomocy różnego rodzaju silników lub energią z akumulatorów. Ruch jest nadzorowany zazwyczaj poprzez sterownik w postaci komputera.

Już w dwudziestym wieku finansowano z amerykańskiego budżetu wojskowego prototypy rozmaitych konstrukcji tego rodzaju, jednak większość kombinezonów z napędem elektrycznym była zbyt ciężka i kosztowna. Wielu przedsiębiorców zaczęło sobie zdawać sprawę, że prawdziwa szansa rynkowa to prostsze urządzenia, które pomagają robotnikom wykonywać codzienne, powtarzalne zadania, takie jak podnoszenie narzędzi czy przesuwanie palet. Są przymocowane do korpusów pracowników i przenoszą znaczną część obciążenia dzięki błyskotliwym rozwiązaniom biomechanicznym. Przedmioty nagle "tracą masę", co pozwala na manipulowanie nimi przy użyciu tylko niewielkiej części normalnie wydatkowanej energii.

Ceny spadają. Firma SuitX opracowała swój własny system modułowy - pasywny egzoszkielet, który można zamontować na nogach, plecach i ramionach. Koszt modułu to ok. 5 tys. dolarów.

Obecnie już wiele spośród blisko czterdziestu firm z branży egzoszkieletowej zaczyna oferować lekkie konstrukcje pasywne, wykorzystujące ramy metalowe i z włókna węglowego dla pracowników budowlanych i logistycznych.

- Celem egzoszkieletów jest wzmocnienie ludzi tam, gdzie są słabsi. Nie chodzi jednak o to, aby robotnicy stali się supermanami - mówi cytowany przez Futurism.com, Homayoon Kazerooni, profesor robotyki Uniwersytetu Kalifornijskiego, który brał udział w wielu projektach związanych z egzoszkieletami. - Chcemy wyeliminować znój pracy fizycznej.

Opuszczanie świata science-fiction

Wszystko zaczęło się w 1965 r. Dwa lata po narysowaniu pierwszego komiksu "Iron Man" armia USA zbudowała pierwszy egzoszkielet o nazwie Hardiman. To wspomagane hydraulicznie i zasilane elektrycznie urządzenie umożliwiało podnoszenie 100-kilogramowych ciężarów tak, jakby ważyły 5 kg.

Jego wewnętrzny szkielet przekazywał impulsy wynikające z ruchów wykonywanych przez człowieka do szkieletu zewnętrznego, bazując na rozwiązaniu opracowanym niemal dziesięć lat wcześniej na Uniwersytecie Cornella. Nazwa "Hardi" była bardziej dokładna od "Iron", gdyż stanowiła skrót od Human Augmentation Research and Development Investigation.

Ponad dwadzieścia lat później, w roku 1987, do prac nad egzoszkieletem przystąpił Monty Reed. Miał wyjątkową motywację - podczas służby wojskowej w 1986 r. uległ poważnemu wypadkowi, skacząc ze spadochronem. Postanowił skonstruować mechanizm, który przywróci mu utraconą sprawność, rozpoczynając projekt Lifesuit, ewoluujący do coraz bardziej użytecznych maszyn.

W 2000 r. agencja wojskowa DARPA rozpoczęła wart 75 mld dolarów program budowy egzoszkieletu. W jego ramach sfinansowano m.in. projekt firmy Sarcos i wiele innych konstrukcji. Właśnie to dzięki programom z ostatnich kilkunastu lat egzoszkielety, które były wcześniej całkowitą science-fiction, zaczęły być postrzegane jako realna szansa na zwielokrotnienie siły użytkownika. Jedynymi znanymi dawniej egzoszkieletami były naturalne okrycia zewnętrzne owadów wyposażonych w zewnętrzne struktury ochronne, zapewniające sztywną zbroję, na którą ich mięśnie mogą naciskać, aby zwierzęta mogły się poruszać.

Dzisiaj fantazje stają się rzeczywistością. Na całym świecie znanych ma być już nawet kilkaset komercyjnych i eksperymentalnych projektów. Oczywiście problemem wciąż nierozwiązanym jest zasilanie. W niektórych sytuacjach, w fabrykach lub na placach budowy urządzenia te mogą być połączone kablami. Jednak istnienie przewodów zasilających stoi w zasadniczej sprzeczności z podstawowym celem egzotechnologii, jakim jest zwiększona indywidualna mobilność dla każdego, w każdym miejscu i sytuacji.

Liczb osób, które wypróbowały egzoszkielety, pozostaje wciąż znikoma, głównie ze względu na koszty. Zasilany model Phoenix (4) firmy suitX kosztuje ok. 30 tys. dolarów, co i tak stanowi okazyjną cenę w porównaniu z innymi konstrukcjami medycznymi i terapeutycznymi, których ceny kształtują się na poziomie 80 i więcej tysięcy.

Zaletą Phoenixa jest również masa, niewiele przekraczająca 10 kg. W przeciwieństwie do podobnych systemów, Phoenix porzuca zmotoryzowane moduły kolanowe stosowane w kombinezonach konkurencji na rzecz pasywnego mechanizmu, który wiernie imituje ruchy kolana ludzkiego.

4. Egzoszkielet Phoenix

Tradycyjne materiały

Choć egzoszkielety mogą wydawać się wciąż tematem z obszaru futurystyki, nie oznacza to, że są wykonane z futurystycznych stopów i nowo wynalezionych materiałów. Na ogół jest inaczej. Producenci oczekują od egzoszkieletów wytrzymałości, trwałości i rozsądnego kosztu. Wykonuje się je więc z różnych, ale całkiem tradycyjnych materiałów - zazwyczaj z włókien węglowych, aluminium lub ze stali.

Włókna służą do produkcji lekkich części. Nie są tak wytrzymałe jak metale, więc nie do każdego zastosowania się nadają. Wysokiej klasy włókna węglowe są drogie, co zwiększa koszty.

Aluminium jest znacznie tańsze i trwałe, ale nie tak odporne na uszkodzenia jak stal. Jako niedrogi materiał może wydawać się atrakcyjne dla producentów, ale niższe ceny części przekładają się na krótszą - w porównaniu do stali - żywotność.

Stal jest bardzo popularna w konstrukcjach egzoszkieletów i ich części. Zapewnia wytrzymałość i trwałość. Z łatwością opiera się wielu rodzajom uszkodzeń. Zgina się lub wgniata, nie pękając, i może być nawet wielokrotnie naprawiana bez osiągnięcia pełnego punktu awarii. Jest idealna do elementów wspierających kończyny, które będą się wiele poruszać i wielokrotnie podnosić.

Umożliwia podnoszenie przedmiotów wielokrotnie cięższych niż elementy, które mógłby podnieść człowiek. Podobnie jak konstrukcje egzoszkieletowe, technologia stali ewoluuje. Na rynek trafiają coraz lżejsze elementy, oferując wszystkie korzyści, jakie stal oferowała tradycyjnie, przy mniejszej masie.

Nie ma refundacji

Jako pionier w tej dziedzinie, Ekso Bionics ma w swojej ofercie produkty przeznaczone zarówno do zastosowań rehabilitacyjnych, jak i przemysłowych, ale koncentruje się przede wszystkim na rynku usług dla przemysłu. Jego konkurent, ReWalk Robotics, sprzedaje urządzenia do zastosowań domowych i klinicznych. Obydwie firmy odpowiadają w większości za pierwszą generację nadających się do praktycznego użytku egzoszkieletów.

ReWalk sprzedał do tej pory nieco ponad czterysta egzemplarzy na całym świecie, a Ekso ok. trzystu. Obie firmy - pracując nad rozwojem rynku produktów zatwierdzanych przez agencje takie jak FDA oraz opracowując i testując produkty następnej generacji - stoją jednak przed konkretnymi wyzwaniami finansowymi.

Trudność polega m.in. na nowości technologii. Pamiętajmy, że pierwszy egzoszkielet zaakceptowany przez FDA (wykonany przez ReWalk), przeznaczony dla pacjentów z urazem rdzenia kręgowego, otrzymał zielone światło zaledwie w 2014 r. Kolejne firmy uzyskały tego rodzaju akceptacje w roku 2016.

Opory - także ze strony urzędników pozwalających na refundację z publicznych środków lub firm ubezpieczeniowych - budzą ceny oferowanych modeli. Urządzenie firmy ReWalk dla niepełnosprawnych ruchowo kosztuje średnio 75-80 tys. dolarów.

Z kolei za sprzęt firmy Ekso, skierowany do ośrodków rehabilitacyjnych dla wielu pacjentów, trzeba wyłożyć 150 tys. dolarów. Towarzystwa ubezpieczeniowe rzadko pokrywają te koszty, powołując się na brak danych na temat korzyści medycznych związanych ze stosowaniem egzoszkieletów, a także na obawy, czy pacjenci będą ich używać w takim stopniu, by rzeczywiście można było owe korzyści dostrzec.

Pierwsze badania producentów wykazały, że egzoszkielety są bezpieczne i mogą pozwolić niektórym sparaliżowanym osobom chodzić. Niektóre nowsze badania sugerują nawet, że ich stosowanie może zredukować tkankę tłuszczową, zmniejszyć ból i poprawić funkcjonowanie jelit.

Warto zwrócić uwagę, że czołowe firmy zmierzają w kierunku konstrukcji modułowych. Taki właśnie charakter ma szkielet Agile eX (MAX) firmy suitX. System MAX wspiera podnoszenie, unoszenie, zginanie, gięcie, kucanie i wykonywanie czynności ponad głową, umożliwiając pracownikom większą produktywność poprzez redukcję zmęczenia i kosztownych urazów w miejscu pracy. Komplet składa się z trzech modułów egzoszkieletów zwanych backX (5), shoulderX i legX, które mogą być noszone niezależnie lub w dowolnej kombinacji, w zależności od potrzeb.

5. Moduł backX systemu MAX

Moduł backX redukuje siłę i moment obrotowy w dolnej części pleców użytkownika. Jest dostosowany do rozmiaru ciała i nie używa baterii, siłowników ani komputerów.

LegX zmniejsza naprężenie stawów kolanowych i mięśni nóg, pozwalając na przysiadywanie przez długi czas. Potrafi odróżnić chodzenie, wchodzenie po schodach i schodzenie z nich od przysiadania, a tryb blokady umożliwia korzystanie z egzoszkieletu jako krzesła.

ShoulderX zmniejsza siłę wywieraną na ramiona użytkownika poprzez przeniesienie ciężaru z ramion na biodra (podczas noszenia samodzielnie) lub na podłoże (w połączeniu z legX). Podobnie jak backX, shoulderX nie używa baterii, siłowników ani komputerów.

Na ludzką miarę

Zespół badaczy z uniwersytetu Carnegie Mellon proponuje nowe podejście, które poprawia wytrzymałość poprzez zmniejszenie wysiłku energetycznego użytkownika. Zamiast próbować zbudować konwencjonalny egzostrój, wspomagający całe ciało, naukowcy stworzyli nakładkę na kostkę sterowaną oprogramowaniem, zmniejszającą wysiłek potrzebny do chodzenia (6), dzięki czemu dla osób z upośledzeniami fizycznymi ruch staje się mniej uciążliwy. Takie proste urządzenia - jednozadaniowe, jednofunkcyjne, a nawet miękkie - mogłyby w końcu ominąć poprzednio napotykane pułapki, w które wpadali konstruktorzy.

6. Jednofunkcyjna nakładka egzo na nogę
7. XOS 2 firmy Raytheon Sarcos

Algorytm kontrolujący ruchy egzoszkieletu musi być dostrojony w celu zapewnienia użytkownikowi dokładnego czasu i mocy, jakiej potrzebuje. W tym przypadku kierujący projektem Steve Collins, profesor nadzwyczajny w Carnegie Mellon, chciał, aby egzoszkielet automatycznie ustalał, w jaki sposób zminimalizować zużycie energii przez użytkownika podczas chodzenia.

W celu pomiaru zużycia tlenu i przybliżonego zużycia energii przeprowadzono testy, których uczestnicy zostali podłączeni do monitora oddechowego. Korzystając z "algorytmu ewolucyjnego", który wielokrotnie próbuje kilku kombinacji momentu obrotowego i czasu, a następnie wybiera najlepsze rozwiązanie, badacze obniżyli zużycie energii o ok. 14%. Jak podkreśla Collins, nie chodzi o badania nad nowymi egzoszkieletami, a raczej o szukanie metod ich projektowania.

Podejście Collinsa jest ukierunkowane na rozwiązywanie problemów, które dotknęły poprzednie wysiłki na rzecz rozwoju egzoszkieletów. Najbardziej znanymi próbami są prototypy militarne, ściśle nawiązujące do wizji nadawania nadludzkiej siły osobie noszącej egzoszkielet. 

Wiele fanfar towarzyszyło np. zapowiedziom firmy Raytheon Sarcos, która w 2010 r. zaprezentowała egzoszkielet wojskowy XOS 2 (7), a w następnym roku - podobnej premierze Lockheeda Martina, czyli konstrukcji o nazwie HULC (Human Universal Load Carrier). Jednak poruszanie się człowieka w tych konstrukcjach wymagało ogromnej siły - XOS 2 ważył 68 kg. Poza tym niewielu żołnierzy ma ochotę ciągnąć za sobą ogromny akumulator.

W wielu poprzednich projektach w zaskakujący sposób pomijano wygodę i użyteczność. Testerzy skarżyli się na proste niedogodności - maszyny były trudne do przymocowania i zapięcia, ocierały się o ciało.

Nie było mowy o rozpakowaniu, włożeniu i rozpoczęciu używania jakiegokolwiek ze starszych egzoszkieletów. W niedalekiej przyszłości korzyści popłyną jednak prawdopodobnie z konstruowania prostszych, bardziej wyspecjalizowanych i przede wszystkich skrojonych na użytkownika urządzeń.

Sztuczny egzoszkielet lub pancerz wspomagany

- mocowana na zewnątrz ciała powłoka, której celem jest wzmocnienie siły mięśni użytkownika. Egzoszkielet może wzmacniać wszystkie partie mięśni lub tylko niektóre (np. sztuczne ramie). Aktywne egzoszkielety są zasilane przy pomocy różnego rodzaju silników albo energia z akumulatorów. Ruch jest nadzorowany zazwyczaj poprzez
sterownik w postaci komputera.

Szkielet na miękko

Mimo że zasilanie energią elektryczną jest nadal ogromnym ograniczeniem, wkrótce może się okazać, że wydajność znanych nam baterii stanie się jednak wystarczająca. Głównie dzięki nowym rozwiązaniom. Nie chodzi tylko o pasywne egzoszkielety, ale również tzw. miękką technologię. Zamiast metalowych ram zaczyna się coraz częściej stosować elastyczne tkaniny i sztuczne mięśnie.

8. DARPA Warrior Web Exosuit firmy Ekso Bionics
9. Prototyp miękkiego egzoszkieletu Aura

Nowe trendy widać w finansowanym przez DARPA programie Ekso Bionics nazwanym Warrior Web (8). Jego celem jest zapobieganie uszkodzeniom obszarów ciała narażonych na obrażenia i minimalizowanie zmęczenia.

W zgodnym z tymi nowymi tendencjami projekcie miękkiego egzoszkieletu Aura (9), firmy Superflex, zamiast metalu stosuje się elastyczne tkaniny techniczne, oferujące dodatkową siłę i sztuczne mięśnie osobom z problemami ruchowymi.

Superflex, firma zrodzona z badań wiodącego laboratorium badawczo-rozwojowego SRI International, dąży do stworzenia inteligentnej, sterowanej czujnikami odzieży dla seniorów z problemami z mobilnością. Zgodnie z planem, do połowy 2018 r. swoją premierę będzie mieć aktywna bielizna Aura, wyposażona zarówno w czujniki do śledzenia postawy i ruchu ciała, jak i w zasilane opaski mięśniowe, podążające za głównymi grupami mięśniowymi ciała i działające wzdłuż nich. Kiedy użytkownik przygotowuje się do ruchu, inteligentne czujniki włączają siłowniki, działające z mocą dostosowaną do danego ruchu. Dodatkową zaletą jest niewielkie zużycie energii pochodzącej z baterii.

10. HULC (Human Universal Load Carrier), autorstwa firm Ekso Bionics i Lockheed Martin

Również ReWalk pracuje nad lżejszym, tańszym i bardziej elastycznym "kombinezonem", przeznaczonym dla osób, które mogą jeszcze chodzić, ale już niezbyt sprawnie. Firma dysponuje licencjonowaną technologią z Uniwersytetu Harvarda, przeznaczoną do komercjalizacji urządzenia opartego na miękkiej tkaninie, które ludzie zakładaliby na siebie niemal jak odzież, niczym w projekcie Aura.

Miękki egzoszkielet ma nie kosztować więcej niż 20 tys. dolarów. Technologia stworzona na Harvardzie działa poprzez noszenie silników tylko na talii, a nie wzdłuż nóg, jak w twardych egzoszkieletach. Grupa inżynierów wykazała w badaniach na dziewięciu pacjentach, że urządzenie może pomóc osobom z osłabieniem mięśni i zaburzeniami koordynacji po udarach, co skutkuje pchaniem nóg podczas chodzenia. Mechanizm zmniejsza ilość energii, jaką ludzie zużywają do tej czynności.

Być może w rozwoju egzoszkieletów pomoże również wciskająca się do wszystkich dziedzin technologii i życia sztuczna inteligencja.

Laboratoria Bionik swój egzoszkielet dolny wyposażyły w system AI firmy Amazon - Alexa. Aby się poruszać, użytkownik może po prostu wydać polecenie głosowe wirtualnemu asystentowi, np.: „Alexa, wykonaj krok!”. Egzoszkielet ARKE, opracowany przez Bionik Laboratories, znajduje się obecnie w fazie rozwoju klinicznego.

Sterowanie egzoszkieletem odbywać się może na cztery sposoby:

1. mechaniczne - możliwe wówczas, gdy użytkownik jest częściowo sprawny i potrafi kontrolować egzoszkielet manualnie, np. rekami za pomocą joysticka;
2. głosem - to sterowanie przeznaczone jest dla osoby niemogącej się ruszać, ale zdolnej do wypowiadania komend głosowych, przesyłanych poprzez mikrofon do komputera, a w nim odpowiednio interpretowanych
i przekładanych na określone czynności. Następnie z komputera wysyłana jest do sterownika egzoszkieletu seria instrukcji do wykonania, czyli zadziałania odpowiednich siłowników - np. dotyczących podniesienia reki, powstania, chodzenia itp.;
3. czujnikami naskórnymi lub podskórnymi - metoda sterowania polegająca na założeniu pacjentowi serii implantów, które, wzmacniając impulsy nerwowe, odczytują na ich podstawie jego intencje ruchowe, a następnie przekazują te "intencje" (wzmocnione impulsy) do komputera sterującego. Wymagana jest tu częściowa sprawność układu nerwowego;
4. bezpośrednio, z użyciem sygnałów bioelektrycznych z ośrodkowego układu nerwowego - zgodnie z ta przyszłościową koncepcją, po podłączeniu zestawu elektrod interfejsu mózg-komputer do głowy użytkownika egzoszkieletu, sygnały odzwierciedlające zamiar ruchu byłyby przekazywane do sterownika, który uruchamiałby odpowiednie funkcje. Mogłoby toumożliwić wykorzystanie egzoszkieletu osobom po uszkodzeniach rdzenia kręgowego, ale zzachowanymi funkcjami kory ruchowej mózgu oraz funkcjami poznawczymi umożliwiającymi bezpieczne (dla nich iotoczenia) używanie urządzenia. Badania nad tym rozwiązaniem prowadzone sąwramach zakończonego projektu MINDWALKER ikolejnych.

Żołnierz i jego metabolizm

Egzoszkielety są od lat częścią strategii technologicznej Pentagonu, której celem jest wykorzystanie robotyki i sztucznej inteligencji nie tyle do zastąpienia ludzi na polu bitwy, ile ich wsparcia.

Robotyka nośna dla wojska stanowi wciąż najbardziej dynamiczne odgałęzienie przemysłu egzoszkieletowego. Wojskowe modele są testowane w USA, Chinach, Kanadzie, Korei Południowej, Wielkiej Brytanii, Rosji i Australii, a mowa jedynie o projektach, o których społeczeństwo wie.

Prawdopodobnie sporo innych wojskowych koncepcji pozostaje w tajemnicy.

Podobnie jak historia konfliktów zbrojnych, tak i dzieje wojskowych egzoszkieletów przepełnione są trudem i rozczarowaniem. Wspominany już prototyp HULC (10) ostatecznie był w stanie poruszać się samodzielnie nawet przez kilka godzin, ale gdy armia USA zwiększyła wymagany zakres czasowy jego działania, autorzy projektu nie umieli sprostać nowym limitom.

Choć HULC nie odniósł sukcesu, jego pozbawiona silników i elektroniki wersja o nazwie iHAS stała się jednym z pierwszych pasywnych egzoszkieletów.

IHAS zamienił się w projekt Mantis, co ostatecznie zainspirowało prace Ekso Bionics i pasywne egzoszkielety FORTIS. Z biegiem lat wojskowe modele przekształciły się w mniejsze, lżejsze i bardziej wyspecjalizowane urządzenia. Dla porównania, niektóre pierwotne wersje HULC ważyły 24 kg. Wiele obecnych konstrukcji waży ok. 5 kg.

11. Marine Mojo 20KTS+

Wojskowe egzoszkielety stoją przed wieloma takimi samymi wyzwaniami, jak ich odpowiedniki przemysłowe: konieczność zapewnienia komfortu noszenia przez wiele godzin oraz integracji z już istniejącym wyposażeniem i standardami. Modele wojskowe muszą więc pracować ze stosowanym sprzętem wojskowym. Jeśli np. kamizelka opancerzona używana przez piechotę przeszkadza w dopasowaniu szkieletu wojskowego, ten ostatni nie nadaje się do użycia.

Wiele z najnowszych wojskowych egzoszkieletów ma swoje silniki i siłowniki z przodu lub z tyłu użytkownika. Jest to w ostrym kontraście do większości modeli, które mają główną część urządzenia na biodrach lub z boku nóg. Ponadto sprzęt używany w armii musi być niezawodny i bardzo trwały. Jeśli spadochroniarz jest skazany na skakanie z samolotu, wpadanie do jeziora, czołganie się przez błoto i bieganie z bronią, strzelając do wroga, egzoszkielet nie może być dla niego żadnym dodatkowym utrudnieniem.

Prawie wszystkie wojskowe egzoszkielety mają na celu w taki czy inny sposób zmniejszenie wy - datków metabolicznych żołnierza (gdy dźwiga on na sobie sprzęt i egzoszkielet, ma zużywać mniej energii, niż gdy dźwiga sam sprzęt). Powinny dostarczyć mu bezpośredniego wsparcia podczas marszruty i przenieść część masy sprzętu. Są jednak bardziej specjalistyczne zastosowania - tak jak w przypadku Terra Mojo i Marine Mojo 20KTS+ (11), które redukują wibracje na małych łodziach i pojazdach.

Egzoszkielety dolne stanowią wsparcie dla nóg. Jeśli ścieralny materiał rozciąga się aż do podłoża, może być również użyty do przenoszenia obciążeń. Ponieważ wojskowy egzoszkielet zawsze musi być elastyczny i zgodny z wymogami, ilość ładunku, który może przenosić, w dodatku szybko poruszając się, zawsze będzie ograniczona.

Urządzenia te mogą mieć klasyczną konstrukcję z ramą z twardego metalu lub być wykonane w całości z miękkich materiałów. Pozwala to na połączenie egzoszkieletów nóg z napędem w jedną kategorię, w zależności od ich głównego celu - zapewnienia pomocy w poruszaniu się i zmniejszenia kosztów metabolicznych ruchu.

Modele pasywne nie mają żadnych siłowników, baterii ani elektroniki. Dwa dobre przykłady tego, co pasywny egzoszkielet może zrobić dla wojska, to Mojo Marine i Exoszkieleton Operacji DSTO.

12. Egzoszkielet Lockheed Martin FORTIS K-SRD

Przykładowy egzoszkielet Lockheed Martin FORTIS Knee-Stress Relief Device (K-SRD) to złożona synteza wielu technologii: sztywnej ramy nośnej, która przenosi ciężar użytkownika na podłoże, kompaktowych siłowników na kolanie dla zwiększenia wytrzymałości, miękkich materiałów buforujących między istotą ludzką a sztywną ramą, pomagających przekładać analogowe ruchy człowieka na sygnały cyfrowe generowane przez siłowniki, oraz sztucznej inteligencji, dostosowującej maszynę do płynnego poruszania się wraz z użytkownikiem (12). 

Co dalej?

Choć globalna wartość sprzedaży egzoszkieletów to miliony (13) ale jeszcze nie miliardy dolarów, widać w tej dziedzinie dynamikę i szczere zainteresowanie rozwojem konstrukcji ze strony niektórych branż. Rehabilitacja, przemysł, budownictwo i wojsko nie zniechęcają się niedoskonałościami prototypów.

13. Globalne przychody ze sprzedaży egzoszkieletów

Co dobrze wróży tej technologii na przyszłość.

Mirosław Usidus