Z egzoszkieletów korzysta się m.in. w wojsku, gdzie wspierają żołnierzy w realizowaniu zadań wymagających dużego wysiłku oraz poprawiają ich mobilność w terenie. Upowszechniają się też w ochronie zdrowia, w rehabilitacji pacjentów odzyskujących sprawność ruchową po operacjach, udarach czy urazach rdzenia kręgowego i jako pomoc dla personelu medycznego opiekującego się pacjentami sparaliżowanymi. W przemyśle natomiast głównie ułatwiają podnoszenie ciężarów oraz wykonywanie czynności powtarzalnych.
Korzyści dla użytkowników
Zaletą egzoszkieletów jest ich zdolność do podtrzymywania obciążenia. Jak pisaliśmy we wstępie, są zaprojektowane tak, by równo rozkładać jego ciężar i ograniczać nacisk, jaki wywiera, zwłaszcza na stawy użytkownika. Ta cecha staje się szczególnie korzystna na stanowiskach pracy, gdzie częste jest podnoszenie i przenoszenie sporo ważących ładunków, m.in. na placach budów i w magazynach. Zapewniając podparcie, egzoszkielety zmniejszają wysiłek osób, które podnoszą i przenoszą ciężkie przedmioty, ograniczając tym samym ryzyko doznania przez nie urazów na skutek przeciążenia. W efekcie mogą one wykonywać takie zadania bezpieczniej.
Fizycznie wymagające i powtarzalne czynności skutkują również zmęczeniem mięśni. Odczuwają je np. pracownicy linii montażowych, od których wymaga się wykonywania takich samych sekwencji ruchów wielokrotnie, możliwie jak najszybciej, przez wiele godzin między przerwami. Egzoszkielety, odciążając mięśnie, zapobiegają w takich warunkach ich przemęczeniu. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie przez personel zakładanej wydajności przez dłuższy czas.
Częstą przyczyną schorzeń układu mięśniowo-szkieletowego i urazów kręgosłupa pozostaje nieprawidłowa postawa. Egzoszkielety są projektowane w taki sposób, żeby wymusić na osobach, które je noszą, przyjęcie tej prawidłowej. Dzięki temu, że zapewniają podparcie plecom i kierują ruchami ciała, ich użytkownicy mimowolnie przyjmują ergonomiczną pozycję. To zmniejsza ryzyko doznania urazów i wystąpienia przewlekłego bólu.
Pancerze pasywne i aktywne
Egzoszkielety dzieli się na pasywne i aktywne. Pierwsze nie wymagają zewnętrznego zasilania, w zamian wykorzystując siłę mięśni, na zasadzie swoistego odzysku energii. Pasywne egzoszkielety magazynują energię kinetyczną użytkownika w formie energii mechanicznej, którą następnie na powrót przekształcają w energię kinetyczną, wykorzystywaną przez osobę noszącą pancerz jako wsparcie w wykonywaniu pracy fizycznej. Ich główne zalety to: prostsza, lżejsza i kompaktowa konstrukcja, łatwiejsza eksploatacja i konserwacja w porównaniu z egzoszkieletami aktywnymi.
Z drugiej strony, pancerze pasywne są w stanie odciążyć użytkownika w mniejszym stopniu niż te aktywne, które są zasilane elektrycznie, pneumatycznie albo hydraulicznie. Modele aktywne wyposaża się również w siłowniki, które kontroluje sterownik, na podstawie wyników pomiarów z wbudowanych w nie czujników. Aktywne egzoszkielety, choć wszechstronniejsze niż pasywne, są przez to jednak zazwyczaj droższe, większe i cięższe.
Ze względu na brak zamkniętego układu sterowania zakres ruchów pasywnych egzoszkieletów jest ograniczony w porównaniu z aktywnymi. W przypadku tych ostatnich natomiast wyzwaniem konstrukcyjnym staje się zapewnienie równomiernego rozkładu masy pancerza. To kluczowe dla zapobiegania zmęczeniu użytkownika i obciążania go egzoszkieletem bez uszczerbku dla jego mobilności i zwinności.
Komponenty egzoszkieletów
Egzoszkielety pasywne zbudowane są z dwóch części: ze sztywnej ramy wyrównanej ze szkieletem i stawami użytkownika oraz z pasywnego elementu wspomagającego. Rama zwykle jest wykonana z lekkiego, ale wytrzymałego materiału, jak aluminium lub włókno węglowe. Zamiast niej wykorzystuje się także specjalnie zaprojektowane i wykonane inteligentne tkaniny. Tego typu egzoszkielety mają przewagę nad tymi z ramą, gdyż zapewniają użytkownikowi większą swobodę ruchu. Z drugiej strony, inteligentne tkaniny są trudne i drogie w produkcji, a poza tym zapewniają mniejsze wsparcie niż sztywna rama. Pasywne elementy wspomagające to z kolei również elastyczne tkaniny, a poza tym gumy, układy amortyzatorów sprężynowych i siłowniki gazowe. Zwykle przymocowuje się je bezpośrednio do ramy.
Egzoszkielety aktywne stanowią natomiast połączenie siłowników, sensorów i systemów sterowania. Ich wyróżnikiem jest zdolność do płynnej integracji z naturalnymi ruchami ludzkiego ciała. Osiąga się to dzięki sensorom, które w czasie rzeczywistym monitorują ruchy użytkownika oraz siły wywierane na egzoszkielet. Dane te są następnie przetwarzane w kontrolerze, sterującym siłownikami, które generują ruch, zapewniając niezbędne wsparcie stawom i mięśniom. Siłowniki wymagają zasilania. Przykładowo, te elektryczne są zasilane z akumulatora, który jest mocowany do pancerza, w przypadku egzoszkieletów przeznaczonych do pracy w terenie, albo za pośrednictwem kabla, w zastosowaniach wewnętrznych. Element zapewniający wsparcie i ułatwiający integrację wszystkich powyższych komponentów stanowi rama.
Siłowniki i czujniki
Egzoszkielety aktywne wyposażone są zazwyczaj w silniki elektryczne, siłowniki hydrauliczne albo siłowniki pneumatyczne.
Pierwsze wyróżnia możliwość precyzyjnej kontroli, duży stosunek mocy do wagi i kompaktowe rozmiary. Dzięki temu sprawdzają się, gdy wymagana jest duża dokładność ruchów i dynamiczna reakcja. Przykładowo, ponieważ egzoszkielety kończyn dolnych wymagają wysokich momentów obrotowych, przenoszenia dużych obciążeń i wysokiej stabilności, preferuje się w nich silniki prądu stałego. Z drugiej strony, są one za duże i zbyt ciężkie dla egzoszkieletów kończyn górnych, które dodatkowo wymagają większej precyzji sterowania ruchem. Dlatego w tym typie pancerzy znacznie popularniejsze są serwosilniki i silniki krokowe.
Egzoszkielety wspierające podnoszenie dużych ciężarów wyposaża się z kolei w siłowniki hydrauliczne. Są one jednak ciężkie i stwarzają ryzyko wycieku płynu hydraulicznego. Siłowniki pneumatyczne są lżejsze, czystsze i zapewniają płynny ruch. Preferuje się je w pancerzach do zadań wymagających zwinności oraz możliwości adaptacji. Nie są jednak tak precyzyjne jak silniki elektryczne i wymagają układu zasilania powietrzem. Egzoszkielety wyposaża się też w siłowniki niekonwencjonalne. Przykładem są te z materiałów z pamięcią kształtu.
Egzoszkielety aktywne stanowią nagromadzenie różnego typu czujników. Niezbędne są np. akcelerometry, żyroskopy i magnetometry umożliwiające śledzenie ruchów w czasie rzeczywistym. Czujniki siły oraz ciśnienia pozwalają na monitorowanie interakcji użytkownika z egzoszkieletem. Sensory momentu obrotowego oraz kąta obrotu umożliwiają precyzyjną kontrolę ruchów stawów. Pancerze aktywne wyposaża się również w czujniki, które śledzą parametry fizjologiczne, takie jak aktywność mięśni i tętno. Przykład to czujniki elektromiograficzne mierzące aktywność elektryczną mięśni. Rejestrowane w ten sposób wzorce ich aktywacji można wykorzystać do kontrolowania i precyzyjnego dostrajania egzoszkieletu do ruchów użytkownika, co zwiększa responsywność i adaptacyjność pancerza.
Typy egzoszkieletów
Egzoszkielety projektuje się tak, aby zapewniały podparcie kluczowych stawów oraz grup mięśni w ciele człowieka, w tym zwłaszcza: ramion, łokci, górnej i dolnej części pleców, bioder, palców, nadgarstków i kolan. W związku z tym klasyfikowane są wg obszarów anatomicznych, które wspierają. Na tej podstawie można wyróżnić trzy główne kategorie egzoszkieletów: kończyn górnych, dolnych oraz pleców.
Pierwsze zapewniają podparcie całej kończynie górnej albo jej określonym stawom – podkategorie w tej grupie to egzoszkielety: barków, łokci, nadgarstków, palców. Jest to jedna z liczniejszych kategorii egzoszkieletów dostępnych komercyjnie. Z pancerzy tego rodzaju korzysta się w branżach, w których pracownicy wykonują męczące zadania za pomocą kończyn górnych, np. na liniach produkcyjnych, w budownictwie, magazynach i rolnictwie, np. przy zbiorze owoców. W tym ostatnim sprawdzają się egzoszkielety barków, które poprzez kompensację sił grawitacyjnych, wspomagają realizację zadań wykonywanych z rękami uniesionymi nad głową.
Egzoszkielety kończyn dolnych są projektowane tak, by wspierać te części ciała użytkownika albo ich określone stawy (biodrowy, kolanowy, skokowy). Są przeznaczone głównie do wspomagania zadań wymagających podnoszenia ciężarów oraz korygowania i wspierania chodzenia, stania czy wchodzenia po schodach. Ich głównym zastosowaniem jest rehabilitacja osób mających problemy z poruszaniem się. W przemyśle z kolei pomagają głównie zmniejszyć zmęczenie i obciążenie spowodowane długotrwałym staniem i chodzeniem, choć są mniej popularne w porównaniu z egzoszkieletami kończyn górnych i pleców.
Konstrukcje tego rodzaju są również trudniejsze w projektowaniu. Wynika to stąd, że muszą być wystarczająco sztywne, żeby przenosić duże obciążenia, a jednocześnie powinny dostosowywać się do złożonych ruchów stawów kończyn dolnych. Przez to trudno jest skonstruować egzoszkielety, które zapewnią użytkownikom pełnię swobody ruchu. Wymaga się od nich również zdolności adaptacji do nierówności terenu.
Coraz popularniejsze stają się natomiast egzoszkielety pleców. Wynika to z szerokiego zakresu ich zastosowań. Większość pancerzy tego typu zapewnia wsparcie dolnej części pleców, ułatwiając ich użytkownikom wykonywanie zadań wymagających podnoszenia, pochylania się i powtarzających się skrętów. Dostępne są ponadto egzoszkielety całego ciała, obejmujące zarówno kończyny górne, jak i dolne, zapewniające kompleksowe wsparcie i wzmocnienie całego ciała. Korzysta się z nich m.in. w armii, działaniach ratowniczych i rehabilitacji.
Oprócz klasyfikacji na podstawie podpieranej części ciała, egzoszkielety klasyfikuje się także na podstawie konkretnych zadań, do wsparcia których są przeznaczone. Popularne kategorie obejmują: pracę stojącą, chodzenie, pochylanie się i działania wykonywane z rękami nad głową.
Trendy w konstrukcji pancerzy
Egzoszkielety to szybko rozwijająca się dziedzina. Najnowsze innowacje w ich zakresie obejmują wykorzystanie materiałów kompozytowych w celu zmniejszenia wagi przy jednoczesnym zwiększeniu wytrzymałości pancerzy oraz integrację hybrydowych systemów zasilania, które łączą akumulatory o dużej gęstości energii z technologiami pozyskiwania energii z otoczenia (energy harvesting).
Trend miniaturyzacji siłowników i czujników pozwala na konstruowanie bardziej kompaktowych i ergonomicznych pancerzy. Postępy w komunikacji bezprzewodowej i czujnikach o małym poborze mocy wydłużają czas pracy na baterii.
Sensory o dużej dokładności i rozdzielczości, będące w stanie wykrywać subtelne zmiany ruchu i sił, przyczyniają się do płynniejszego i bardziej naturalnego wspomagania ruchu. Rozwój czujników elastycznych, które dopasowują się do ciała, zwiększa precyzję monitorowania ruchu i komfort użytkowania. Nowe trendy obejmują też wyposażanie pancerzy w sensory środowiskowe. Dzięki nim lepiej dostosowują się one do zmian czynników zewnętrznych, takich jak ukształtowanie terenu i warunki w otoczeniu, co zwiększa ich wszechstronność. Rośnie także nacisk na integrację biosensorów noszonych w celu monitorowania i dostosowywania się do stanu fizycznego użytkownika w czasie rzeczywistym.
Wkład w rozwój egzoszkieletów wnoszą też szybkie postępy w dziedzinie adaptacyjnych systemów sterowania opartych na sztucznej inteligencji. Dzięki algorytmom uczenia maszynowego, które są implementowane w kontrolerach egzoszkieletów, poprawia się precyzja sterowania ruchem, a ich personalizacja jest łatwiejsza. Ponadto najnowsze projekty pancerzy wykorzystują modułowe, regulowane komponenty, aby dostosować je do różnych zadań i typów budowy ciała.
Monika Jaworowska
