A Vasember története
Az exoskeletonok története, jelene és jövője
1868-ban Edward Ellis olcsó regényt adott ki a Gőzös a préri címmel. Egy hatalmas gőzgépet írt le, amelyet emberi test alakjában építettek fel. Ez lehetővé teszi, hogy a feltaláló, a zseniális John Brainard robotjárművében járjon, mintegy 100 km/h sebességgel sodródva, bölényekre vadászva és indiánokat legeltetve.
És 1961-ben, két évvel az első Iron Man képregény megalkotása előtt a Pentagon versenyt hirdetett valódi robotruhák létrehozására. Az amerikai hadseregnek szüksége volt egy "nehéz kormányzattal és fékekkel rendelkező embertankra".
Manapság az exoskeleton olyan fémruha, amely szinte követi az emberi test alakját, vagy egy ilyen öltöny része 2-2,5 m magasságban. Magasabb a "mobil öltönyök" és más humanoid robotok számára.
Az exoskeletonoknak főleg mindig két célja volt: egy egészséges ember motoros képességeinek növelése és egy betegben történő normalizálása. Attól függően, hogy mit kell elérni, a tervezés különböző módosításokkal történhet. (pl. a kéz ortézise is az exoskeleton típusa).
Hardiman
Az első exoskeletont 1961-ben hozta létre a General Electric. Hardiman súlya 680 kg volt, de akár 340 kg-ot is el tudott viselni. Szándékuk szerint víz alatt, az űrben, katonai műveletek során használták. de ez a fejlemény nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket, és biztonságosan megfeledkeztek róla. Ennek fő oka az volt, hogy 680 kg-os súlynál, de a rakomány emelésekor rossz központosítással az egész szerkezet rezegni kezdett, ami gyakran boruláshoz vezetett.
Kilenc évvel később a belgrádi Miomir Vukobratovic megmutatta az első erővel járó exoskeletont, amelynek feladata az volt, hogy teljes motoros képességeket adjon az alsó végtagok bénulása esetén. A hajtómechanizmus alapja a pneumatika volt. A fejleményre a szovjet tudósok figyeltek fel, akik jugoszláv kollégáikkal együtt elkezdtek együtt dolgozni egy hasonló meghajtású exoskeleton fejlesztésén. De a peresztrojka megjelenésével a projekt lezárult, és nincs bizonyíték a titkos "földalatti" exoskeleton munkára.
Különböző országokban a feltalálók különböző célokra megpróbáltak „szabadtéri testeket” létrehozni, de sok (az alábbiakban tárgyalt) akadály miatt kudarcot vallottak. Energiahiány, a tudományos és technológiai fejlődés lassú növekedése, az anyagtudomány és a kapcsolódó tudományok, valamint az elektronikus számítástechnika és a kibernetika nem kielégítő fejlődése - mindezek oka volt. Összetett technológiákról volt szó, amelyeket az emberek csak most sajátítanak el teljes mértékben.
Exoskeleton problémák
Első ránézésre sok anyag található a Földön, de a valóságban nincs olyan sok, amely olyan egészséges testet tudna alkotni, amely elég könnyű ahhoz, hogy ne kelljen a saját lendülete.
Ha a hipotetikus exoskeleton összetevőkre bomlik, akkor ez egy tápegységből, szoftverből (PO) és egy mechanikus részből áll, amely részben hasonlít a természetesre - csontokra, ízületekre stb. És ha a mechanikával és a szoftverrel a támpontok világosak és szinte nincsenek megoldandó problémák, akkor az áramellátással ez nem így van. Ha van megbízható áramforrás, akkor csak egy egyszerű exoskeletonon lehet létrehozni, és űrruhával és hátizsákkal kombinálni.
A manapság elterjedt kompakt tápegységek (újratölthető akkumulátorok) bármelyike csendes üzemidőt adhat az exoskeletonoknak, a belső égésű motor megbízhatónak tűnik, de nem túl kompakt. Ezenkívül további hűtőrendszerre van szüksége, és magát a belső égésű motort is nehéz beállítani, hogy nagy mennyiségű energiát azonnal aktiváljon. Az elektrokémiai üzemanyagok segíthetnek (metanol) ennek a feltételnek a teljesítésében, de túl magas hőmérsékleten is működhetnek. Például a 600 Celsius fok viszonylag alacsony hőmérséklet egy ilyen motor számára.
A gyakorlatban az exoskeleton motor problémájának lehető legmegfelelőbb megoldása ugyanolyan nehezen megoldható kérdéssé válhat - a vezeték nélküli erőátvitelé. Átvihető azonban bármekkora reaktorból is (akár nukleáris is!). De hogyan?
A passzív exoskeleton mechanikája
Mint az embereknél, a mechanizmus egyes lábai is a combokból, a lábszárakból és a lábfejből állnak. A szerkezet részeit különböző mozgékonyságú csuklópántok kötik össze. A csípőpántos comb három fokú mozgékonysággal rendelkezik. "Vízszintes tengely körül foroghat" előre-hátra "(általában bizonyos határokon belül), és egy másik vízszintes tengelyen hajlítás és emelés történik. Ez egy függőleges tengely körül is foroghat. A sípcsontot egy comb alakú tengely kapcsolja, amelynek egyik forgástengelye vízszintes. A sípcsontot tekintve három fokozatú szabadsággal rendelkezik, és mindegyik bizonyos határok között foroghat a sípcsont körül. Csakúgy, mint egy "meztelen" ember járása, az exoskeleton járása váltakozó egyszeres és kettős támasz fázisok sorozata. Az első szakaszban az egyik láb szilárd támaszon van, a másik pedig elmozdul (más néven transzfer fázis), és ebben az exoskeleton 14 fokos szabadsággal rendelkezik.
A passzív exoskeleton nem tartalmaz olyan áramforrásokat, amelyek időnként újratöltésre szorulnának. Munkaidője korlátlan. Másrészt a kiegészítő áramellátás hiánya csökkenti a tervezési képességeket és az elvégezhető feladatok szélességét.
3D modell egy passzív exoskeleton
A passzív exoskeleton szabályozásának algoritmusa a térdízületek egymás után történő lezárásából és felszabadításából áll - először az egyik, majd a másik láb. Abban a pillanatban, amikor az egyik lábát kemény felületre helyezi, a térdízülete rögzül, eltömődik és egy ideig az ízület szöge megállítja a változását. A rögzítést a térdízületbe szerelt fékmechanizmus végzi. Mivel ebben a helyzetben az ízület már nem tud összehúzódni, az összes terhelést a fékberendezés veszi. A láb felületéről való leválás pillanatában az ízület felszabadul, és az exoskeleton lába ismét követi az emberi láb izomparancsait. Ha egy személy mozdulatlanul áll, és nem mozog, akkor az ízületek reteszelődnek, és ennek köszönhetően a térdek elviselik a súlyt, és nem hajlanak meg. Ily módon a mechanizmus teljesen megszabadítja az embert a súlyától - még a sajátjától is, mert azt a mechanizmus hordozza. Éppen ezért az exoskeleton hasznos nehéz terhek cipelésénél vagy lépcsőn való felmászáskor - az ember bármikor megállhat és pihenhet.