Bionic Humans Exoskelet-technologie definieert grenzen opnieuw

In Edge of Tomorrow, een veelgeprezen sciencefictionfilm die deze zomer is uitgebracht, soldaten vechten buitenaardse wezens met aangedreven exoskeletten die hun kracht, snelheid en behendigheid vergroten. Op het witte doek, naast explosies en buitenaardse vijanden, lijken de ideeën een uitvinding uit Hollywood - maar het is dichter bij de realiteit dan je zou denken.

Exoskeletonderzoek is al meer dan een eeuw aan de gang, met als resultaat een aantal levensvatbare prototypen. Verrassend genoeg richten ze zich echter minder op supermenselijke kracht en meer op het verbeteren van uithoudingsvermogen en kwaliteit van leven. Onderzoekers in het veld zien de toekomst 4 technologieën die de wereld kunnen veranderen 4 Technologieën die de wereld kunnen veranderen Op dit moment is het zo'n spannende tijd om te leven, omdat wetenschap en technologie de mensheid vooruithelpt met ongelooflijke snelheden. Wie had tien jaar geleden gedacht dat we met één druk op de knop toegang zouden hebben tot alle ... Lees meer als een marathon in plaats van een sprint.

Exo-History

Menselijke exoskeletten verschenen al sinds de jaren vijftig in science fiction-verhalen, maar het eerste echte exoskelet werd ruim een ​​halve eeuw eerder uitgevonden door de Russische uitvinder Nicholas Yagn. Ondanks zijn land van verblijf, besloot hij in 1890 een octrooi aan te vragen bij het United States Patent Office. Hij beschreef zijn uitvinding als:

[...] een aantal veren aangepast om het gewicht van het hele lichaam te ondersteunen en het daardoor uitgeoefende vermogen op te slaan en te accumuleren, samen met het vermogen dat wordt uitgeoefend door het momentum van een dergelijk gewicht in beweging. - Nicholas Yagn, uitvinder

Zijn exoskelet ook gebruikt “gecomprimeerde vloeistof accumulatoren” om energie op te slaan. Volgens Nicholas, gaf zijn uitvinding gebruikers betere mobiliteit en verminderde de spanning van rennen en springen op het lichaam. Sorry, stoom-punk fans; dit was geen dodelijke machine met tandwieloverbrenging.

Het eerste aangedreven exoskelet, genaamd Hardiman, werd eind jaren zestig ontwikkeld door General Electric. Massief en bruut, het pak leek veel op de enorme gevechts-pakken voorzien door sci-fi auteurs. Het werd ontworpen om de sterkte van een gebruiker substantieel te versterken, maar zijn uitvinders hebben nooit de bedieningselementen en stroomvereisten volledig genageld. Zoals vermeld in het eindrapport van het project:

Het mens-machine interface probleem in het Hardiman I prototype was een ernstige. De hoge vermogenswinst, de complexiteit van het systeem met meerdere scharnieren en de intieme koppeling van de man en de machine hebben veel ontwerpbeperkingen opgelegd en hoge eisen gesteld aan bestaande technologie.

Het falen van Hardiman toonde de extreme moeilijkheid om een ​​exoskelet te ontwikkelen met de technologie van dat tijdperk. Een andere poging werd niet gedaan tot het begin van de jaren negentig, toen onderzoekers van Kawasaki aan het Power Assist Suit begonnen, een exoskelet dat is ontworpen om medische professionals te helpen immobiele patiënten te verplaatsen.

Een explosie van nieuwe ontwikkelingen vond plaats na de eeuwwisseling. Het Japanse bedrijf Cyberdyne introduceerde het HAL-3 exoskeletconcept, Berkeley ontwikkelde een exoskelet van het lagere lichaam dat Bleex wordt genoemd om soldaten te helpen zware lasten over lange afstanden te dragen, en Honda heeft een paar exoskeletten met lager lichaam samengesteld voor gedeeltelijk mobiele mensen die anders een wandelstok of riet.

Opstarten

Het mislukte Hardiman-project is het soort pak waar de meeste mensen aan denken als ze zich een exoskelet voorstellen. Velen van ons herinneren beelden van fictie, zoals het beroemde exoskelet dat werd bestuurd door Sigourney Weaver (of beter gezegd de stuntman die achter haar was verborgen) in Buitenaardse wezens.

Een enorm exoskelet kan een publiek zeker verbazen, maar het praktische gebruik ervan is beperkt. Batterijen missen nog steeds het uithoudingsvermogen dat nodig is om een ​​beestachtige machine gedurende lange tijd van stroom te voorzien, en een groot exoskelet doet niet veel wat een vorkheftruck, kraan of ander voertuig niet al kan bereiken. Moderne exoskeletten richten zich op het verbeteren van mensen op praktische manieren die elke dag van nut kunnen zijn in verschillende situaties.

Een van de nieuwste ontwerpen is de Human Universal Load Carrier of HULC, een militair exoskelet ontworpen door Lockheed-Martin om de fysieke mogelijkheden van soldaten aanzienlijk te verbeteren. Het basisidee, zoals vastgesteld door programmamanager Jim Ni en gedetailleerd beschreven in een persbericht van het bedrijf, is om het uithoudingsvermogen en de kracht te vergroten en tegelijkertijd het risico op verwonding te verminderen.

Het [HULC] stelt soldaten in staat om dingen te doen die ze vandaag niet kunnen doen, terwijl ze worden beschermd tegen musculoskeletale letsels. - Jim Ni, HULC-programmamanager

Dat klinkt niet veel anders dan de voordelen die Nicholas Yagn meer dan een eeuw geleden claimde voor zijn exoskelet, maar moderne technologie betekent dat onderzoekers het idee beter kunnen realiseren. HULC kan helpen bij het dragen van laders tot 200 pond op verschillende terreinen, terwijl het risico op verwondingen die een soldaat in het veld kunnen vertragen, wordt geminimaliseerd. Batterijen voeden het exoskelet, dat meer dan vijftig pond weegt, en het leven kan met speciale apparatuur tot 72 uur duren.

Maar Lockheed-Martin is niet het enige bedrijf op dit gebied. Raytheon heeft de afgelopen acht jaar de XOS ontwikkeld, die hoopt dezelfde rol te vervullen als de HULC. In tegenstelling tot zijn concurrent bestrijkt de XOS echter een substantieel deel van het onder- en bovenlichaam van de gebruiker. De uitvinders citeren een vergelijkbaar maximaal draagvermogen van minstens 200 pond, maar de versterking van de kracht strekt zich uit tot de armen, die tot wel vijftig pond met weinig moeite kunnen ophouden.

Niet alleen voor soldaten

In Japan is Cyberdyne ondertussen doorgegaan met de ontwikkeling van zijn HAL-5-exoskelet. In tegenstelling tot zijn Amerikaanse collega's, is dit apparaat gebouwd voor civiel gebruik in plaats van militair gebruik. Het bedrijf onderzoekt verschillende modellen voor gebruik door industriële werknemers, persoonlijke hulpverleners en medische professionals.

Een model met een lagere ledemaat dat is ontworpen om mensen te helpen revalideren met letselgerelateerde mobiliteitsproblemen, is goedgekeurd voor gebruik in Europa en wordt gebruikt in klinische onderzoeken. De eerste proef, voltooid in april van dit jaar, suggereert dat het exoskelet voorziet in een “zeer significante verbetering” mobiliteit wanneer het wordt gedragen en verbetert na verloop van tijd ook het vermogen van de patiënt om te bewegen zonder het exoskelet. Slechts acht patiënten maakten deel uit van de studie, dus er moet meer worden gedaan om de voordelen van HAL te bevestigen.

Een ander exoskelet van een burger dat aandacht krijgt, is de ReWalk, een exoskelet van het lagere lichaam dat past in een rol die lijkt op de HAL. De ReWalk maakt gebruik van low-power beenmotoren om te helpen bij mobiliteit terwijl de batterij de hele dag meegaat. In tegenstelling tot de HAL moet de ReWalk worden gebruikt met stokken, maar het is ook verder in zijn ontwikkeling en is in verschillende landen goedgekeurd. De ReWalk kan worden gebruikt voor revalidatie of kan worden aangeschaft voor persoonlijk gebruik als alternatief voor een rolstoel of een elektrische scooter.

Batterijen niet inbegrepen

FORTIS, dat net dit jaar is begonnen met testen, is het nieuwste exoskelet van Lockheed-Martin. Hoewel de eerste testronde wordt uitgevoerd door de marine, is dit exoskelet, in tegenstelling tot HULC, alleen bedoeld voor civiel gebruik. Het versterkt het lichaam van de gebruiker en vermindert de belasting bij het hanteren van de zware gereedschappen die monteurs van de marine vaak gebruiken om schepen te repareren.

Door het exoskelet van FORTIS te dragen, kunnen operators het gewicht van die zware gereedschappen voor langere tijd met minder vermoeidheid vasthouden. - Adam Miller, directeur van nieuwe initiatieven, Lockheed-Martin

Hoewel het geen batterijen heeft, heeft FORTIS indrukwekkende capaciteiten. Het kan gebruikers helpen tot 36 pond te houden “moeiteloos.” In het begin klinkt dat misschien niet zo veel, maar onthoud dat monteurs zulke hulpmiddelen elke dag urenlang gebruiken. Elk substantieel gewicht kan na enkele minuten vermoeiend worden. Het exoskelet helpt ook om deze belastingen naar de grond over te brengen, waardoor de belasting van de rug en benen van de gebruiker wordt verminderd.

Dit soort exoskelet, mocht het succesvol blijken, kan een grote zegen zijn voor bouw- en fabrieksarbeiders die gedurende de dag herhaaldelijk bescheiden lasten moeten tillen. Werkgerelateerde verwondingen zijn nog steeds gebruikelijk op deze gebieden en kunnen na verloop van tijd de kwaliteit van leven voor veteranen van deze gebieden aanzienlijk verminderen.

Het gebrek aan kracht van FORTIS vermindert ook de complexiteit en de kosten, waardoor het idee beter verteerbaar is voor grootschalige inzet. Met dat gezegd, FORTIS is echter nog erg vroeg in ontwikkeling; het werd voor het eerst aangekondigd net vorige maand. De meeste andere exoskeletprojecten zijn al jaren in ontwikkeling, en in sommige gevallen zelfs decennia, dus dit project heeft nog een goede weg te gaan.

Nog steeds menselijk, maar beter

De focus van het moderne exoskelet is verschoven van het verbeteren van kracht en snelheid naar het verbeteren van uithoudingsvermogen. In die zin is het doel niet om ons veel sneller of sterker dan voorheen te maken, maar om ons duurzamer te maken en onze kwaliteit van leven te verbeteren. Hoewel het niet glamoureus is, is deze benadering zinvol; we overwonnen zware lasten op te tillen met de heftruck.

Letsel en uitputting zijn echter vijanden die we nog moeten verslaan. Een vermoeide, gewonde soldaat zal zijn hele eenheid waarschijnlijk vertragen en is minder goed in staat om te reageren op bedreigingen, en een raming uit 2013 dat gewonden op het werk worden gevonden, kost in de Verenigde Staten alleen al tot 250 miljard dollar per jaar. Het verminderen van spanning en het verhogen van het uithoudingsvermogen kan iedereen, van infanterie in de strijd tot gezondheidswerkers, die patiënten tussen bedden beweegt, ten goede komen, dus we zullen waarschijnlijk zien dat exoskeletten deze nieuwe aanpak voortzetten in het komende decennium. Exoskeletten geven ons geen supermenselijke kracht of een hoge snelheid - althans niet snel. Maar ze zullen ons helpen langer en beter te leven Hoe technologie de menselijke evolutie kan beïnvloeden Hoe technologie invloed kan hebben op menselijke evolutie Er is geen enkel aspect van de menselijke ervaring dat niet is geraakt door technologie, inclusief onze lichamen. Lees verder .

Afbeelding tegoed: Lockheed-Martin, Cyberdyne

Ontdek meer over: Bionic Technology.