Bionischer Mensch: Die Exoskelett-Technologie definiert Grenzen neu

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Im Rand von morgen, In einem von der Kritik gefeierten Science-Fiction-Film, der diesen Sommer veröffentlicht wurde, bekämpfen Soldaten Aliens mit angetriebenen Exoskeletten, die ihre Stärke, Geschwindigkeit und Beweglichkeit verbessern. Auf der Leinwand scheinen die Ideen neben Explosionen und jenseitigen Feinden eine Erfindung Hollywoods zu sein - aber sie sind der Realität näher als man denkt.

Die Exoskelettforschung ist seit über einem Jahrhundert im Gange, was zu einer Reihe lebensfähiger Prototypen führte. Überraschenderweise konzentrieren sie sich weniger auf übermenschliche Kraft als vielmehr auf die Verbesserung von Ausdauer und Lebensqualität. Forscher auf dem Gebiet sehen die Zukunft 4 Technologien, die die Welt verändern könntenGerade jetzt ist eine aufregende Zeit, um am Leben zu sein, da Wissenschaft und Technologie die Menschheit mit solch unglaublichen Geschwindigkeiten voranbringen. Wer hätte vor zehn Jahren gedacht, dass wir einen One-Touch-Zugriff auf alle haben würden ... Weiterlesen als Marathon statt Sprint.

Exo-Geschichte

Menschliche Exoskelette sind in erschienen Science-Fiction-Geschichten sSeit den 1950er Jahren wurde das erste echte Exoskelett über ein halbes Jahrhundert zuvor vom russischen Erfinder Nicholas Yagn erfunden. Trotz seines Wohnsitzlandes Er beschloss, ein Patent beim United States Patent Office einzureichen im Jahr 1890. Er beschrieb seine Erfindung als:

[…] Eine Reihe von Federn, die das Gewicht des gesamten Körpers tragen und die speichern und ansammeln Kraft, die dadurch ausgeübt wird, zusammen mit der Kraft, die durch den Impuls eines solchen Eigengewichts ausgeübt wird, wenn in Bewegung. - Nicholas Yagn, Erfinder

Sein Exoskelett verwendete auch „Druckspeicherspeicher“, um Energie zu speichern. Laut Nicholas hat seine Erfindung den Benutzern eine bessere Mobilität ermöglicht und die Belastung durch Laufen und Springen auf den Körper verringert. Sorry, Steampunk-Fans; Dies war keine zahnradgetriebene Todesmaschine.

Das erste angetriebene Exoskelett namens Hardiman wurde Ende der 1960er Jahre von General Electric entwickelt. Massiv und brutal sah der Anzug den massiven Kampfanzügen aus, die sich Science-Fiction-Autoren vorgestellt hatten. Es wurde entwickelt, um die Stärke eines Benutzers erheblich zu steigern, aber seine Erfinder haben die Steuerungs- und Leistungsanforderungen nie vollständig festgelegt. Wie im Abschlussbericht des Projekts angegeben:

Das Problem mit der Mensch-Maschine-Schnittstelle im Hardiman I-Prototyp war schwerwiegend. Der hohe Leistungsgewinn, die Komplexität des Mehrgelenksystems und die enge Kopplung von Mensch und Maschine stellten viele konstruktive Einschränkungen und stellten hohe Anforderungen an die vorhandene Technologie.

Das Scheitern von Hardiman zeigte die extreme Schwierigkeit, mit der Technologie dieser Ära ein Exoskelett zu entwickeln. Ein weiterer Versuch wurde erst in den frühen 1990er Jahren unternommen, als die Forscher von Kawasaki mit der Arbeit an der Macht begannen Assist Suit [Broken URL Removed], ein Exoskelett, das Medizinern dabei helfen soll, sich unbeweglich zu bewegen Patienten.

Nach der Jahrhundertwende kam es zu einer Explosion neuer Entwicklungen. Das japanische Unternehmen Cyberdyne führte das HAL-3-Exoskelett-Konzept ein. Berkeley entwickelte ein Unterkörper-Exoskelett namens Bleex, um Soldaten beim Tragen schwerer Lasten zu helfen Honda hat ein Paar Exoskelette für den Unterkörper zusammengestellt, die für teilweise mobile Personen entwickelt wurden, die andernfalls einen Stock oder eine Gehhilfe benötigen könnten.

Einschalten

Das gescheiterte Hardiman-Projekt ist die Art von Anzug, an die die meisten Menschen denken, wenn sie sich ein Exoskelett vorstellen sollen. Viele von uns erinnern sich an Bilder aus der Fiktion, wie das berühmte Exoskelett, das von Sigourney Weaver (oder besser gesagt der hinter ihr versteckte Stuntman) gesteuert wird Aliens.

Ein massives Exoskelett kann sicherlich ein Publikum begeistern, aber seine praktische Verwendung ist begrenzt. Den Batterien fehlt immer noch die Ausdauer, die erforderlich ist, um eine tierische Maschine über lange Zeiträume anzutreiben, und ein großes Exoskelett kann nicht viel, was ein Gabelstapler, ein Kran oder ein anderes Fahrzeug nicht bereits erreichen kann. Moderne Exoskelette konzentrieren sich darauf, den Menschen auf praktische Weise zu verbessern, die in einer Vielzahl von Situationen jeden Tag von Nutzen sein können.

Eines der neuesten Designs ist der Human Universal Load Carrier (HULC), ein militärisches Exoskelett, das von Lockheed-Martin entwickelt wurde, um die körperlichen Fähigkeiten von Soldaten erheblich zu verbessern. Die Grundidee, wie vom Programmmanager Jim Ni angegeben und in einer Pressemitteilung des Unternehmens beschriebensoll die Ausdauer und Kraft steigern und gleichzeitig das Verletzungsrisiko verringern.

Es [HULC] ermöglicht es Soldaten, Dinge zu tun, die sie heute nicht tun können, und hilft ihnen gleichzeitig, sich vor Verletzungen des Bewegungsapparates zu schützen. - Jim Ni, HULC-Programmmanager

Das klingt nicht viel anders als die Vorteile, die Nicholas Yagn vor über einem Jahrhundert für sein Exoskelett beansprucht hat, aber dank moderner Technologie können Forscher die Idee besser verwirklichen. HULC kann Loten helfen, Lasten von bis zu 200 Pfund über verschiedene Gelände zu tragen, und gleichzeitig das Risiko von Verletzungen minimieren, die einen Soldaten auf dem Feld verlangsamen könnten. Batterien versorgen das Exoskelett mit einem Gewicht von über 50 Pfund und die Lebensdauer kann mit speziellen Geräten bis zu 72 Stunden betragen.

Lockheed-Martin ist jedoch nicht das einzige Unternehmen auf diesem Gebiet. Raytheon hat in den letzten acht Jahren das XOS entwickelt, das die gleiche Rolle wie das HULC übernehmen soll. Im Gegensatz zu seinem Konkurrenten deckt das XOS jedoch einen wesentlichen Teil des Unter- und Oberkörpers des Benutzers ab. Seine Erfinder geben eine ähnliche maximale Tragfähigkeit von mindestens 200 Pfund an, aber die Steigerung der Kraft erstreckt sich auf die Arme, die mit geringem Aufwand bis zu fünfzig Pfund halten können.

Nicht nur für Soldaten

In Japan hat Cyberdyne inzwischen sein HAL-5-Exoskelett weiterentwickelt. Im Gegensatz zu seinen amerikanischen Kollegen ist dieses Gerät eher für zivile als für militärische Zwecke konzipiert. Das Unternehmen erforscht mehrere Modelle für Industriearbeiter. Katastrophenhilfe persönliche und medizinische Fachkräfte.

Ein Modell für die unteren Extremitäten zur Rehabilitation von Menschen mit verletzungsbedingten Mobilitätsproblemen wurde für die Verwendung in Europa zugelassen und wird in klinischen Studien verwendet. Der erste Versuch, im April dieses Jahres abgeschlossenlegt nahe, dass das Exoskelett die Mobilität beim Tragen „erheblich verbessert“ und mit der Zeit auch die Bewegungsfähigkeit des gleichen Patienten verbessert ohne das Exoskelett. Da jedoch nur acht Patienten an der Studie teilnahmen, muss mehr Arbeit geleistet werden, um die Vorteile von HAL zu bestätigen.

Ein weiteres ziviles Exoskelett, das Aufmerksamkeit erhält, ist der ReWalk, ein Unterkörper-Exoskelett, das eine ähnliche Rolle wie das HAL spielt. Der ReWalk verwendet Beinmotoren mit geringem Stromverbrauch, um die Mobilität zu unterstützen und gleichzeitig eine ganztägige Batterielebensdauer zu gewährleisten. Im Gegensatz zum HAL muss der ReWalk mit Stöcken verwendet werden, aber er ist auch in seiner Entwicklung weiter fortgeschritten und wurde in mehreren Ländern zugelassen. Der ReWalk kann zur Rehabilitation verwendet oder als Alternative zu einem Rollstuhl oder einem Elektroroller für den persönlichen Gebrauch erworben werden.

Batterien nicht enthalten

FORTISLockheed-Martins neuestes Exoskelett, das erst in diesem Jahr getestet wurde. Obwohl die erste Testrunde von der Marine durchgeführt wird, ist dieses Exoskelett im Gegensatz zu HULC nur für den zivilen Gebrauch gedacht. Es stärkt den Körper des Benutzers und verringert die Belastung beim Umgang mit den schweren Werkzeugen, die Navy-Mechaniker häufig zur Reparatur von Schiffen verwenden.

Durch das Tragen des FORTIS-Exoskeletts kann der Bediener das Gewicht dieser schweren Werkzeuge über einen längeren Zeitraum bei reduzierter Ermüdung halten. - Adam Miller, Direktor für neue Initiativen, Lockheed-Martin

FORTIS verfügt zwar über keine Batterien, verfügt jedoch über beeindruckende Fähigkeiten. Es kann Benutzern helfen, bis zu 36 Pfund "mühelos" zu halten. Das klingt zunächst vielleicht nicht nach viel, aber denken Sie daran, dass Mechaniker solche Werkzeuge jeden Tag stundenlang verwenden. Jedes wesentliche Gewicht kann nach einigen Minuten ermüdend werden. Das Exoskelett hilft auch dabei, diese Lasten auf den Boden zu übertragen, wodurch Rücken und Beine des Benutzers weniger belastet werden.

Diese Art von Exoskelett könnte, sollte es sich als erfolgreich erweisen, ein großer Segen für Bau- und Industriearbeiter sein, die den ganzen Tag über wiederholt bescheidene Lasten heben müssen. Arbeitsbedingte Verletzungen sind in diesen Bereichen immer noch häufig und können im Laufe der Zeit die Lebensqualität von Veteranen dieser Bereiche erheblich beeinträchtigen.

Der Mangel an Leistung von FORTIS reduziert auch die Komplexität und die Kosten und macht die Idee für eine breit angelegte Bereitstellung schmackhafter. Trotzdem befindet sich FORTIS noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium. es wurde erst letzten Monat zum ersten Mal angekündigt. Die meisten anderen Exoskelettprojekte befinden sich seit Jahren und in einigen Fällen Jahrzehnten in der Entwicklung, sodass dieses Projekt noch einen langen Weg vor sich hat.

Immer noch menschlich, aber besser

Der Fokus des modernen Exoskeletts hat sich von der Steigerung von Kraft und Geschwindigkeit zur Verbesserung der Ausdauer verlagert. In diesem Sinne geht es nicht darum, uns viel schneller oder stärker als zuvor zu machen, sondern uns haltbarer zu machen und unsere Lebensqualität zu verbessern. Dieser Ansatz ist zwar nicht glamourös, aber sinnvoll. Mit dem Gabelstapler haben wir das Heben schwerer Lasten erobert.

Verletzung und Erschöpfung sind jedoch Feinde, die wir noch besiegen müssen. Ein müder, verletzter Soldat verlangsamt wahrscheinlich seine gesamte Einheit und ist weniger in der Lage, auf Bedrohungen zu reagieren. und eine Schätzung aus dem Jahr 2013 ergab Verletzungen am Arbeitsplatz Allein in den USA kosten sie jährlich bis zu 250 Milliarden US-Dollar. Eine Verringerung der Belastung und eine Erhöhung der Ausdauer können allen von der Infanterie im Kampf gegen die Beschäftigten im Gesundheitswesen zugute kommen Wenn Patienten zwischen den Betten bewegt werden, werden wir wahrscheinlich sehen, dass Exoskelette diesen neuen Ansatz in Zukunft fortsetzen Dekade. Exoskelette geben uns keine übermenschliche Kraft oder rasante Geschwindigkeit - zumindest nicht in Kürze. Aber Sie werden uns helfen, länger und besser zu leben Wie Technologie die menschliche Evolution beeinflussen kannEs gibt keinen einzigen Aspekt der menschlichen Erfahrung, der nicht von der Technologie berührt wurde, einschließlich unseres Körpers. Weiterlesen .

Bildnachweis: Lockheed-Martin, Cyberdyne