Новый экзоскелет в виде ботинок: работают автономно и облегчают движение!
Экзоскелет впервые может стать доступнее массовому потребителю, принося реальную практическую пользу. Последние новости на эту тему опубликовал отраслевой портал Composites Today!
Новый экзоскелет сделает пешие прогулки комфортнее и легче. Устройство представляет из себя ботинки, созданные с применением композиционных материалов и не требует для работы источников питания!
Новый экзоскелет! Чем полезен?
Группа американских разработчиков в составе Стивена Коллинса, Брюса Виджина и Грэгори Савицки представила миру новый экзоскелет в виде своеобразных ботинок. Новинка интересна тем фактом, что ее конструкция создана с применением инновационных материалов и не предполагает использование аккумуляторов и внешних источников питания. Указанные особенности позволили не только существенно снизить вес устройства (каждый ботинок весит менее полутора килограмм) но и сделать его полностью автономным!
Проведенные исследования показали, что «пешеходный» экзоскелет способен уменьшать расход человеком энергии при ходьбе до 7%! Данный результат поистине можно назвать – прорывным! Хоть первые попытки облегчить человеческое передвижение начались еще в 80-х годах прошлого века, на сегодняшний день наибольшего успеха в этом вопросе, из автономных приспособлений, добились лишь специализированные резиновые ленты, которым далеко до показателей упомянутых ботинок. Что касается экзоскелетов в принципе, то в мире существует уже множество агрегатов подобного типа, но все они, как правило, используют искусственные источники энергии. Это, в свою очередь, ограничивает свободу и автономность перемещения.
Экзоскелет – Ботинки: Принцип работы (видео)
Принцип работы экзоскелета в виде ботинок довольно прост. Устройство, изготовленное из углеродного волокна, имеет пружину, которая крепится к ноге через механическое устройство (храповик) на тыльной стороне чуть ниже колена. Экзоскелет имеет каркас, сделанный из облегченного волокнистого углеродного материала, а также пружину, которая соединяет заднюю часть стопы с верхней частью голени (чуть ниже задней части колена), где она соединена с механической муфтой сцепления. Когда ахиллово сухожилие растягивается, муфта зацепляется в верхнем положении, пружина растягивается подобно сухожилию, накапливая энергию. После того, как шагающая нога опускается, муфта переходит в нижнее положение, пружина расслабляется, высвобождая упругую энергию, которая снова толкает муфту в верхнее положение, начиная следующий цикл. В общем виде цикл работы экзоскелета состоит из следующих этапов:
- Храповик входит в зацепление;
- Пружина ослабевает, высвобожденная упругая энергия толкает храповик вверх;
- Храповик фиксируется в высшей точке;
- После перемещения веса пружина растягивается;
- Пружина достигает максимального натяжения;
- Храповик высвобождается, нога переносится на шаг вперед, и цикл повторяется снова.
Следует отметить, что ученые работали над этим проектом долгие годы. Было испробовано много вариантов конструкции и материалов. В конечном итоге выбор пал на композиционный материал с использованием углеродного волокна.
Представленный экземпляр можно считать прорывом в индустрии и готовым (в той или иной степени) к практическому применению, тем не менее, исследователи не останавливаются на достигнутом! Уже сейчас прорабатываются варианты усовершенствования конструкции за счет применения электроники, которая позволит отслеживать индивидуальные особенности ходьбы и особенности местности (например – подъем в гору).
Кроме того, создатели инновационного экзоскелета надеются на объединение с производителями спортивного инвентаря, чтобы обрести финансовую и технологическую поддержку, которые позволят коммерциализовать изобретение. Предполагается, что экзоскелетные ботинки будут стоить не дороже ботинок лыжных. Учитывая эти предпосылки можно предположить, что новая разработка явно найдет своего покупателя и будет пользоваться спросом.
История экзоскелета
Первым в истории устройством, которое можно классифицировать как экзоскелет, можно назвать изобретение русского умельца Николая Янга. В 1890 году он представил конструкцию, состоящую из мешков со сжатым газом и позволявшее облегчить передвижение. По понятным причинам, первый экзоскелет был крайне примитивен.
Очередной шаг в вопросе разработки экзоскелетов был сделан американским изобретателем Лэсли Келли в 1917 году. Конструкция, получившая название pedomotor, использовала энергию пара.
Первый экзоскелет, в современном понимании этого слова, был разработан в 1960 году компанией General Electric для нужд вооруженных сил США. Устройство под названием Hardiman позволяло поднимать вес до 110 килограмм, используя при этом усилие, сопоставимое с поднятием человеком веса в 4,5 кг. Конструкция экзоскелета включала гидравлические механизмы и электроэнергию, как источник для работы. Тем не менее, Hardiman обладал и рядом существенных недостатков: большой собственный вес (порядка 680 кг.); низкая скорость работы; низкий уровень контроля за манипуляциями. Следует отметить, что данное устройство никогда не испытывалось с человеком внутри, из-за большого риска для жизни и здоровья испытателя.
В 1969 году в Югославии был разработан первый, шагающий экзоскелет на пневматическом приводе.
Экзоскелет от DARPA (Фото: en.Wikipedia.org)
Куда большего успеха добился Монти Рид, работая в проекте DARPA. Рид получил травму в результате неудачного прыжка с парашютом. Находясь в больнице, на восстановлении, он читал книгу Роберта Хайнлайна «Звездный десант». В ней экзоскелет престает как ключевое обмундирование солдата. Книга вдохновила Рида, и в 1986 году миру был представлен LifeSUIT, созданный в рамках проекта Pitman. Разработки в этом направлении продолжились. Одной из последних модификаций стал экзоскелет LifeSUIT 14, способный преодолевать расстояние в 1 милю на полной зарядке и поднимать оператору вес до 92 кг.
В январе 2007 года стало известно о том, что Минобороны США (Пентагон) разместило заказ и предоставило средства Университету штата Техас на предмет создания нового класса экзоскелетов военного назначения. В рамках проекта, помимо прочего, планировалось исследовать искусственные электроактивные полимеры, призванные увеличить коэффициент прочности, снизить вес конструкции и повысить эффективность передвижения. В результате разработчики добились существенных успехов! Были разработаны искусственные мышцы на основе капроновой нити и лески. «Полимерные мышцы» из США превышают возможности человеческих мышц в 100 раз! При этом их цена составляет всего 5$ за килограмм, в то время, как мышцы для экзоскелета сделанные из сплавов титан и никеля стоят не менее 3 000$ за 1 кг.
С конца 2013 года активные исследования в вопросе экзоскелетов ведутся и в России. Проект, получивший название ExoAtlet предполагает своей целью создание механизма, предназначенного для медицинских целей.
Зачем нужен экзоскелет?
Механизм, способный облегчить пердвижение человека и повысить его физическую силу сулит большими перспективами!
На сегодняшний день эксперты выделяют 3 основные сферы, где экзоскелет будет очень востребован.
- В первую очередь это – военная индустрия! Собственно именно здесь экзоскелеты и получили свой изначальный толчок к развитию и прогрессу. Конструкция поможет солдату переносить больший вес (в том числе оружие) и защитит его слоем брони.
- Большую пользу экзоскелеты могут принести и в медицинском сегменте. Они облегчат жизнь и помогут с передвижением людям с поврежденным опорно-двигательным аппаратом.
- Третьим направлением, где экзоскелеты будут востребованы, является использование подобных конструкций для работы. Например, в строительстве или погрузочно-разгрузочных работах.
Таким образом, можно констатировать, что экзоскелет – агрегат будущего! Если у вас есть пара-тройка миллионов долларов, вероятно Вам стоит задуматься о инвестировании именно в этот сектор народного хозяйства.