TEHNIKA

Pripremio: Dragan Lazarević

Egzoskeletoni

Od fabrike i bolnice do vasione i ptice

Egzoskelet, ili u svetu češći izraz egzoskeleton, podrazumeva pogonjen mehanički sistem koji se nadograđuje na ljudsko telo i omogućava dugotrajniji rad daleko većom mehaničkom silom, kretanje većom brzinom i otpornost na veća mehanička opterećenja nego što je to prirodom čoveku moguće. Sa odgovarajućim elektronskim sistemom upravljanja omogućava hodanje nepokretnim osobama i ne razlikuje se od tela robota koje obuhvata ljudsko pa se primenjuje i izraz „robotsko odelo“ (robosuit).

Izraz je preuzet iz biologije i znači: spoljni skelet, kakav imaju zglavkari (rakovi, pauci, insekti i sl.) kod kojih je hitinski skelet sa spoljne strane mišića pa se takav skeletno-mišićni sistem naziva i cevasta muskulatura. Kod kičmenjaka skelet je unutar grupa mišića pa se naziva unutrašnji ili endoskelet. Pojam egzoskeleton se primenjuje i na tehnička sredstva koja ne odgovaraju njegovoj osnovnoj definiciji: ranci za letenje (jet pack), oklopni skafanderi za ronioce (hard suit), za astronaute (NASA AX5)...

Ogromna početnička masa

Razvoj egzoskeletona traje duže od pola veka i tek je nedavno dostigao nivo usavršenosti da pojedini tipovi mogu da se ponude korisnicima. Prvi egzoskeleton razvijali su, isključivo u eksperimenalne svrhe šezdesetih godina prošlog veka, vojska SAD i kompanija General Electric . Nazvan je hardiman . Mada danas ima isključivo istorijski značaj, zahvaljujući njemu konstruktori su se suočili sa problemima koje je takav elektrohidraulički sistem u praktičnoj proveri iskazivao. Mogao je da digne teret od 110 kg, imao je masu od čitavih 680 kg i bio snabdevan električnom energijom od spoljnog izvora. U toku ispitivanja, upadao je u silovita i nekontrolisana kretanja pri kojima je mogao da povredi operatera tako da nikada nije isprobavan sa čovekom.

Dve decenije kasnije, razvijana je u SAD serija egzoskeleta pod nazivom lifesuit1-14 ali je to bilo daleko od praktične primene. Tek je tehnološka revolucija na polju robotike, računara, senzora, laganih konstruktivnih materijala, mašinskih komponenti i izvora električne energije na osnovu litijum-polimerskih baterija omogućila da se, posle 2000, egzoskeletoni približe praktičnoj primeni.

Primene egzoskeletona

Brojni instituti i kompanije širom sveta razvijaju koncepcije egzoskeletona tako da sada ima oko dvadesetak različitih idejnih rešenja. Većina je u eksperimentalnoj fazi i proći će više godina dok ne uđu u operativnu upotrebu. Ima i nekoliko tipova koji su ušli u zasad niskoserijsku proizvodnju ili su u završnoj fazi ispitivanja.

Cilj većine razvojnih centara kompanija i državnih instituta koji razvijaju i usavršavaju egzoskeletone je da prvi dođu do potencijalnog tržišta. Broj osoba u svetu koje su nepokretne ili imaju problema sa kretanjem procenjuje se na 50 do 60 miliona, a broj onih koji bi profesionalno koristili egzoskeleton je još veći. Koristili li bi ga bolničari pri prenošenju pacijenata, vatrogasci bi mogli da nose skafandere sa toplotnom izolacijom sa kojom bi mogli da ulaze u plamen i uz veću količinu sredstva za gašenje požara. Pripadnici spasilačkih službi bi daleko brže čistili ruševine i olupine nastale zemljotresom i drugim prirodnim nepogodama ili u nesrećama u industriji i saobraćaju. Takođe bi mogli da sa lakoćom nose i koriste teške alate za razbijanje betona, uređaje za gasno sečenje metala, sredstva za miniranje, mogli bi da ulaze u ruševine u kojima postoji opasnost daljeg urušavanja kako bi što pre stigli do zatrpanih ili blokiranih osoba. Fizički poslovi utovara i istovara robe bi se, korišćenjem egzoskeletona, obavljali brže i lakše...

Najnapredniji projekti

Među brojnim prototipovima i modelima egzokeletona, izdvaja se nekoliko koji su tehnološki najnapredniji ili su već u maloserijskoj proizvodnji. Princip korišćenja kod svih je gotovo identičan: operater se nalazi unutar egzoskeletona sa kojim je spojen preko širokih kaišnih veza u predelu pojasa, butina, ispod kolena i iznad skočnih zglobova, a stopala su u odgovarajućoj obući koja je sastavni deo egzoskeletona. Ako postoji i gornji deo, operater je spojen ramenim kaišnim vezama i vezama na rukama. Rukovalac uopšte ne oseća težinu egzoskeletona niti tereta koji nosi a pokreće ga uključivanjem senzora koji reaguju na inicijalne pokrete ruku, nogu i senzora koji registruju neuro-impulse koje mozak šalje nožnim i ručnim mišićima. Ako je korisnik osoba koja je nepokretna usled oštećenja nervnog sistema, pokretanje se vrši na osnovu izbora programa u kompjuteru za željeni način kretanja.

Trenutno su najviše usavršeni ovi tipovi egzoskeletona:

hal 5 japanske kompanije Cyberdyne je lagane i kompaktne konstrukcije, mase 23 kg, pokretan litijumskim baterijama u trajanju od 5 časova. Reguje preko senzora električnih neuro-impulsa koje mozak šalje ka mišićima a koje računarski sistem obrađuje i potom šalje komande elektromotorima. Od svih konstukcija u svetu, jedini je ušao u ograničenu serijsku proizvodnju - do 2012. isporučeno je oko 300 primeraka. Moguća godišnja proizvodnja iznosi 500 primeraka. Za sada je isporučivan samo medicinskim centrima za rehabilitaciju nepokretnih osoba.

Može se koristiti ili samo donji deo za hodanje ili kompletan sa spoljašnjim rukama koje mogu da manipulišu teretom. Uspešno je primenjen pri rašćišćavanju ruševina u nuklearnoj elektrani u Fukušimi kada je nosio i oklop protiv radijacije i štitio operatera. Očekuje se da mu, kada uđe u serijsku proizvodnju, prodajna cena iznosi oko 13.800 dolara.

ReWalk kompanije Argo Medical Technologies , iz Izraela, prodavan je centrima za rehabilitaciju, pri čemu je registrovano poboljšanje opšteg zdravlja paraplegičara usled uspravnog stajanja i pokretanja nogu uz pomoć egzoskeleta. Koristi se uz pomoć štaka. Postoji i verzija za individualnu upotrebu, ali samo unutar kuće i uz prisustvo pomagajućih lica.

Honda Exoskeleton Leg istoimene kompanije namenjen je radnicima u autoindustriji da olakša spuštanje i podizanje tereta. Mase od samo 14 kg, raspolaže sa sedištem a noge su sa unutrašnje strane nogu operatera koji je u položaju koji bi se mogao nazvati jahaćim.

Rex kompanije Bionics , sa Novog Zelanda, dimenzija nešto većih nego kod kod ostalih tipova, ima samo noge i pojasni deo. Namenjen je osobama sa disfunkcijom nogu. Upravlja se ručno, preko džojstika, a masa je 38 kg. Prvi je egzoskeleton prodat privatnom licu.

Ostali tipovi egzoskeletona koji su u završnoj fazi ispitivanja su holandski lopes , japanski agricultural exoskeleton namenjen radovima u poljoprivredi, eLEGS Masačusetskog tehnološkog instituta... Japanski power loader ima ruke znatno većih dimenzija od ljudskih i namenjen je manipulisanju teretimaod više stotina kilograma. Slična, ali daleko grublja i glomaznija konstrukcija je prikazana u filmu naučne fantastike “ Aliens“ u kojem se glavna junakinja time bori protiv vanzemaljskog monstruma.

Egzoskeletoni vojne namene

Trenutno su tehološki i po mehaničkim mogućnostima najnaprednije konstrukcije namenjene za vojnu upotrebu.

Hulc egzoskeleton koncipiran je i razvijan na Univezitetu Berkley , potom u kompanijama Ekso Bionics i Locheed Martin , gigantu aerokosmičke industrije SAD. Ovaj egzoskeleton je prošao ispitivanja na vojnim poligonima i možda je već na proveri u ratnim uslovima negde u svetu. Namenjen je specijalnim i diverzantskim jedinicama kako bi mogle da nose veću količinu municije i borbenih sredstava i imale veću autonomiju kretanja. Izrađen je kao hodni deo a na leđnom delu su litijum-jonske baterije koje omogućavaju rad od osam časova. Masa sa baterijama iznosi 24 kg, uz dodatnu nosivost od 91 kg, pri čemu se teret raspoređuje na pultu sa leđne (50kg) a ostatak na pultu sa grudne strane. Omogućava vojniku da, sa teretom od 50 kg, trči brzinom do 20km/č, skače, čuči, zaleže i puzi. Oružje je pričvršćeno na prednji pult. Pokreće ga elektrohidraulični sistem sa pritiskom hidraulične tečnosti do 200 bara. Noseća konstrukcija je izrađena od titanijuma. Upravlja se preko senzora u stopama egzoskeletona koji daju komande računaru a ovaj upravlja hidro-aktuatorima. Vrlo lako se sklapa i zauzima malo mesta. Obuka za osnovna kretanja traje minimum 90 min a planira se upotreba gorivne ćelije koja bi omogućila neprekidan rad od 72 časa.

Hercule francuske kompanije RB3D ima hodni deo za primenu u specijalnim jedinicama i može biti nadograđen egzorukama. Prikazan je na manifestaciji oružja i vojne opreme EUROSARTORI 2012 pri čemu je operater bila pripadnica francuske vojske koja je sa lakoćom premeštala teške terete. Može da diže teret do 100 kg, a baterije omogućavaju kretanje brzinom 4 km /h i pređeni put od 20 km.

XOS2 američke kompanije Raytheon Sarcos je egzoskeleton sa rukama i nogama. Masa od 68 kg omogućava složene i brze pokrete i dizanje tereta do 90 kg vrlo malim naporom. Električnom energijom se snabdeva preko kablova.

Egzoskeletoni za kosmos i budući razvoj

Američka NASA se nešto kasnije uključila u razvoj egzoskeletona ali je, zahvaljujući svom naučnom potencijalu i iskustvom sa androidnim robotom robonaut2 , za nekoliko godina uspela da napravi sopstvenu konstrukciju po karakteristikama savršeniju od većine prethodnika. Namena mu je da na Zemlji pripremi astronaute simuliranjem boravaka u bestežinskom stanju tako što svojim pogonom do neke mere potire silu Zemljine teže.

Npr. ako korisnik pokrene nogu naviše, egzoskeleton će podržati to kretanje tako da neće biti osećaja njene težine ni težine samog egzoskeletona. A ako je zaustavi, biće zadržana u tom položaju. U bestežinskom stanju, na orbitalnoj stanici ili u kosmičkim brodovima, pri daljim letovima ka planetoidima ili Marsu, egzokeleton će simulirati silu teže stalno opterećujući noge, ruke i telo kosmičkih putnika u smeru ka nogama izazivajući rad mišića slično održavanju uspravnog položaja na Zemlji. Skafanderi za rad astronauta u kosmičkom vakuumu su izloženi unutrašnjem pritisku čistog kiseonika od 0,3 bara tako da priprema za izlazak iz kabine sa normalnim pritiskom i sastavom atmosfere traje satima. Sa odgovarajućim egzoskeletonom integrisanim sa skafanderom, sa unutašnjim pritiskom od 1bara, izlazak iz kabine u kosmički vakuum bi mogao da se obavi za nekoliko minuta a rad bi bio znatno olakšan.

Dalji napredak tehnologije bi mogao da dovede do usavršavanja egzoskeletona koji bi prevazišli naučnu fantastiku. Novi konstruktivni materijali visoke čvrstoće kao grafen ili ugljenične nanocevi i veštački mišići na osnovu pizoelektriciteta mogli bi da toliko smanje dimenzije egzokeletona da bi se mogao nositi i ispod odeće a da istovremeno omogućava veću snagu i brzinu kretanja. Hidrodinamički oblikovan, mogao bi da pomaže rad nogu i ruku plivača i ronilaca, sa korišćenjem znatno većih peraja za veću brzinu kretanja uz manji napor i potrošnju kiseonika. Pošto između egzoskeletona i na sličnom principu daljinski pokretanog androidnog robota (telefaktora) nema velike razlike, možda su egzoskeletoni prvi korak ka svetu robota koji će doći u ovom veku.

Granice tehničkih mogućnosti se pomeraju i ono što je izgledalo kao mašta brzo postaje svakodnevnica. Ideja futurista je egzoskeleton-robotsko „pticoodelo“ sa krilima čije bi se kretanje iniciralo mahanjem ruku korisnika i tako ostvarili mit o Dedalu i Ikaru i snovi Leonarda da Vinčija o letenju poput ptica.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja