اگزواسکلتون چیست؟ | انواع و کاربردها

اگزواسکلتون چیست؟

اگزواسکلتون (Exoskeleton) اسکلت خارجی است که از بدن حیوانات پشتیبانی و محافظت می کند، برخلاف اندواسکلتون (endoskeleton) که همان اسکلت داخلی یا اسکلت درونی است مانند اسکلت درونی بدن انسان ها. محققان با الهام از اسکلت خارجی در جانداران، به فکر ساخت اسکلتی پوشیدنی برای انسان ها افتادند که برای کاربردهایی نظیر محافظت، افزایش قدرت و توانایی در انسان ها مورد استفاده قرار گیرد. با این مقدمه می توان گفت، اسکلت های بیرونی دستگاه های پوشیدنی هستند که قدرت و عملکرد انسان ها را برای تکمیل وظایف یا بازسازی بدن خود افزایش دهند.

در سال های آینده، انتظار می رود به کمک اسکلت های بیرونی، انسان ها از توانایی و قدرت بیشتری برخوردار شوند. به گفته لیان جی سو، مدیر تحقیقات شرکت جهانی فناوری اطلاعات ABI Research، انتظار می رود بازار این صنعت از 68 میلیون دلار در سال 2014 به 7.3 میلیارد دلار تا سال 2030 رشد کند. آینده اسکلت های بیرونی بسیار درخشان به نظر می رسد.

تاریخچه اگزواسکلتون

مفهوم اسکلت بیرونی حداقل از اواخر قرن هجدهم وجود داشته است. با این حال، اولین نمونه های اسکلت بیرونی کارآمد تا دهه 1930 ظاهر نشدند. در دهه 1950، تحقیقاتی روی توسعه مکاترونیک برای اسکلت های بیرونی انجام شد. سپس، در دهه 1960، وزارت دفاع ایالات متحده شروع به توسعه یک سیستم اسکلت بیرونی کرد و شرکت جنرال الکتریک یک ربات پوشیدنی را توسعه داد. متعاقباً، تا دهه 1990 که پیشرفت‌ها در فن‌آوری‌های مواد، اسکلت‌های بیرونی قوی‌تر سبک‌تر را امکان‌پذیر کرد، پیشرفت چندانی نداشت. در دهه 2000، پیشرفت در میکروالکترونیک و قدرت کامپیوتر، توسعه رباتیک پوشیدنی را امکان پذیر کرد.

انواع اگزواسکلتون

اگزواسکلتون ها را می توان از جنبه های مختلف دسته بندی کرد. این ربات های پوشیدنی را می توان از لحاظ پوشش اجزای بدن، ساختار، نوع حرکت، نوع عملگر، اهداف و کاربردها به صورت زیر دسته بندی کرد:

کاربردهای اگزواسکلتون

پزشکی

در کاربرد پزشکی، به عنوان مثال پس از آسیب نخاعی، اگر ویژگی‌های ساختاری و عملکردی سیستم عصبی-عضلانی و اسکلتی برای رسیدن به تحرک با ارتز بسیار محدود باشد، یک اسکلت بیرونی می‌تواند گزینه‌ای برای کمک‌ها باشد. برخلاف ارتز، اسکلت بیرونی بخش بزرگی از کار عضلانی فعال را به عهده می گیرد، در حالی که ارتز برای فعال کردن بازیابی کار عضلانی در نظر گرفته شده است. علاوه بر این، اسکلت های بیرونی نیرومند می توانند کیفیت زندگی افرادی را که استفاده از پاهای خود را از دست داده اند، بهبود بخشند.

همچنین می توان از اسکلت‌های بیرونی برای توانبخشی ناشی از سکته مغزی، آسیب نخاعی یا در طول پیری استفاده کرد. Ekso GT ساخته شده توسط Ekso Bionics، اولین اسکلت خارجی است که توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) برای بیماران سکته مغزی تایید شده است. فن آوری اسکلت بیرونی نیز برای افزایش دقت در طول جراحی و برای کمک به پرستاران در حرکت و حمل بیماران سنگین توسعه یافته است.

نظامی

ساخت یک دستگاه پوشیدنی برای کل بدن که نیازهای سربازان را برآورده می کند، چالش برانگیز است. آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا) برنامه Warrior Web را در سپتامبر 2011 راه اندازی کرد و چندین نمونه اولیه، از جمله یک لباس بیرونی نرم که توسط مؤسسه Wyss دانشگاه هاروارد توسعه داده شده است، ارائه و بودجه آن را تامین کرده است. امروزه، Sarcos Guardian XO توسط باتری‌های لیتیوم یون تغذیه می‌شود و برای کاربردهای لجستیک نظامی قابل استفاده است.

انواع مختلفی از اسکلت های بیرونی برای استفاده در میدان نبرد با هدف کاهش خستگی و افزایش بهره وری توسعه یافته اند. به عنوان مثال، لباس ONYX لاکهید مارتین با هدف حمایت از سربازان در انجام عملیات هایی که باعث فشار به زانوها می شود، مانند عبور از زمین های دشوار، پشتیبانی می کند. اسکلت های بیرونی می توانند زمان عکس العمل سربازان را کاهش دهند.

غیر نظامی

اسکلت های بیرونی برای کمک به آتش نشانان و سایر امدادگران برای بالا رفتن از پله ها در حالی که تجهیزات سنگین حمل می کنند، در حال توسعه هستند.

صنعت

لجستیک و تولید دو بازار کلیدی هستند که در آن از اسکلت های بیرونی استفاده می شود و مانند صنایع ساختمانی و کشاورزی، این تجهیزات برای افزایش نیرو و توان انسانی برای کارهای سنگین، بلند کردن، خم شدن و راه رفتن استفاده می شود.

فناوری اسکلت بیرونی غیرفعال به طور فزاینده ای در صنعت خودروسازی با هدف کاهش آسیب کارگران (به ویژه در شانه ها و ستون فقرات) و کاهش خطاهای ناشی از خستگی استفاده می شود. همچنین استفاده از اگزواسکلتون برای استفاده در لجستیک در حال توسعه و ارتقا هستند.

برای گسترده ترین کاربرد، اسکلت های بیرونی صنعتی باید سبک وزن، راحت و ایمن باشند. برای برخی کاربردها، اسکلت‌های بیرونی تک مفصلی (یعنی فقط برای کمک به اندام درگیر در وظایف خاص) مناسب‌تر از دستگاه هایی هستند که تمام بدن را پوشش می دهند. اسکلت های بیرونی برای تمام بدن برای کمک به بارهای سنگین در محیط های صنعتی، و برای کاربردهای تخصصی مانند تعمیر و نگهداری نیروگاه هسته ای توسعه یافته اند.

با این حال، کارایی بیومکانیکی اسکلت‌های بیرونی در کاربردهای صنعتی و ارزیابی ایمنی بر اساس تجربیات مختلف از جمله ایمنی ماشین آلات، تجهیزات حفاظت فردی و تجزیه و تحلیل استرس های فیزیکی در محل کار باید مورد بررسی قرار گیرند.

محدودیت ها و چالش های طراحی در اگزواسکلتون ها

دو معیار اصلی برای بررسی اینکه اگزواسکلتون ها قابلیت استفاده دارند یا خیر عبارتند از اینکه آیا این دستگاه ها انرژی مصرف شده در طول حرکت را کاهش می دهد و آیا استفاده از آن بی خطر است یا خیر. همچنین برخی از مشکلات طراحی که مهندسان با آن مواجه هستند در زیر ذکر شده است.

منبع تغذیه

یکی از بزرگترین مشکلاتی که مهندسان و طراحان اسکلت های بیرونی با آن مواجه هستند، منبع تغذیه است. اگر اسکلت بیرونی خارج از فضایی که می‌تواند به منبع برق متصل شود، مورد استفاده قرار گیرد، منبع انرژی به یک چالش تبدیل می شود. باتری ها نیاز به تعویض یا شارژ مجدد مکرر دارند و ممکن است خطر انفجار داشته باشند. به گفته Sarcos، این شرکت برخی از مشکلات مربوط به فناوری باتری، به ویژه میزان انرژی مورد نیاز برای کارکرد اگزواسکلتون خود با نام Guardian XO را به کمتر از 500 وات و امکان تعویض باطری های خود بدون خاموش کردن باتری را حل کرده است. همچنین سلول های هیدروژنی در برخی از نمونه های اولیه اگزواسکلتون ها استفاده شده است اما دارای مشکلاتی هستند.

اسکلت

اسکلت های بیرونی اولیه از مواد ارزان قیمت و قالب گیری آسان مانند فولاد و آلومینیوم استفاده می کردند. با این حال، فولاد سنگین است و کارایی را کاهش دهد. آلیاژهای آلومینیوم سبک وزن هستند، اما در اثر خستگی به سرعت دچار شکست می شوند. فایبرگلاس، فیبر کربن و نانولوله‌های کربنی نسبت استحکام به وزن بالاتری دارند. اسکلت‌های بیرونی «نرم» که موتورها و دستگاه‌های کنترلی را به لباس‌های انعطاف‌پذیر متصل می‌کنند نیز در دست توسعه هستند.

عملگرها

محرک ها یا عملگرها با چالش سبک وزن بودن و در عین حال قدرتمند بودن روبرو هستند. فن‌آوری‌های مورد استفاده شامل عملگرهای پنوماتیکی، سیلندرهای هیدرولیکی و سروموتورهای الکترونیکی هستند. امروزه عملگرهای الاستیک برای شبیه‌سازی کنترل سفتی در اندام‌های انسان و ارائه درک لمسی در حال توسعه هستند.

انعطاف پذیری مفاصل

انعطاف پذیری آناتومی انسان یک مسئله طراحی برای ربات های سنتی صلب است. چندین مفاصل انسان مانند باسن و شانه ها مفاصل گوی و کاسه ای هستند که مرکز چرخش آنها در داخل بدن است. از آنجایی که هیچ دو فردی دقیقاً شبیه هم نیستند، تقلید کامل از درجات آزادی یک مفصل امکان پذیر نیست. در عوض، مفصل اسکلت بیرونی معمولاً به صورت مجموعه‌ای از لولاها با یک درجه آزادی برای هر یک از چرخش‌های غالب مدل‌سازی می‌شود.

انعطاف پذیری ستون فقرات چالش دیگری است زیرا ستون فقرات در واقع مجموعه ای از مفاصل توپی شکل با حرکت محدود است. هیچ ترکیب ساده ای از لولاهای تک محور خارجی وجود ندارد که بتواند به راحتی با دامنه حرکتی کامل ستون فقرات انسان مطابقت داشته باشد. از آنجا که هم ترازی دقیق نیز چالش برانگیز است، دستگاه ها اغلب دارای توانایی جبران ناهماهنگی با استفاده از درجات آزادی بیشتر هستند. اسکلت های بیرونی نرم با بدن خم می شوند و برخی از این مشکلات را برطرف می کنند.

کنترل و مدولاسیون توان

یک اسکلت بیرونی موفق باید به کاربر خود کمک کند، تا یک کار را با انرژی کمتری انجام دهد. تغییرات فردی در ماهیت، دامنه و نیروی حرکات، ارائه مقدار مناسب کمک در زمان مناسب را برای یک دستگاه استاندارد دشوار می کند. الگوریتم‌هایی برای تنظیم پارامترهای کنترلی برای بهینه‌سازی خودکار میزان انرژی در دست توسعه هستند.

سازگاری با آناتومی بدن کاربران مختلف

تفاوت‌های زیادی در آناتومی بدن انسان ها از جمله در طول استخوان ها و اسکلت و هم در اندازه ی اندام ها و نیم تنه وجود دارد، بنابراین اسکلت‌های بیرونی باید با بدن کاربران سازگار باشند و یا برای استفاده‌کنندگان خاص نصب شوند. در کاربردهای نظامی، ممکن است بتوان با الزام کاربر به اندازه فیزیکی تایید شده برای اسکلت بیرونی، به این موضوع پرداخت. محدودیت‌های اندازه فیزیکی بدن در حال حاضر در ارتش برای مشاغلی مانند خلبانی هواپیما وجود دارد. برای اسکلت های بیرونی نرم، این مشکل اهمیت کمتری دارد.