Sự phát triển trong cơ sinh học
Bộ khung ngoài HULC (Hệ thống mang tải đa năng của con người) của Lockheed Martin được tạo ra để sử dụng chuyên sâu trên mọi loại địa hình. Nó phản ánh khá tốt cơ chế sinh học của con người, cho phép chủ nhân ngồi xổm, bò, đi và chạy mà không gặp vấn đề gì
Khi lính bộ binh mang vác, xử lý thiết bị và vũ khí cũng như vượt qua các địa hình khó khăn, họ thể hiện sự nhanh nhẹn, linh hoạt và sức bền trong một sự kết hợp mà chưa có phương tiện nào sánh bằng. Tuy nhiên, tỷ lệ binh sĩ xuất ngũ vì lý do chấn thương cơ xương khớp cho thấy rằng nhu cầu thể chất đặt lên cơ thể họ đang đến gần và thường vượt quá những gì họ có thể chịu đựng một cách khách quan. Vì vậy, ngày nay điều quan trọng hơn bao giờ hết là phát triển sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế sinh học của cơ thể con người. Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển đang được tiến hành trên khắp thế giới nhằm tận dụng kiến thức và kinh nghiệm hiện có để tạo ra các hệ thống có thể đeo được hoạt động với cơ chế sinh học của con người nhằm giảm nguy cơ chấn thương, cải thiện năng suất và giảm thiểu tác động của thương tích gây tàn tật.
Hiểu được khả năng và giới hạn của cơ thể con người đã đóng một vai trò quan trọng trong công thái học và giúp tất cả các loại phương tiện và máy móc vận hành an toàn hơn, dễ dàng hơn và hiệu quả hơn và khi khoa học và công nghệ tiến bộ, giao diện người-máy này ngày càng trở nên dễ sử dụng hơn. -thân thiện. Biểu hiện cuối cùng của điều này là sự hợp nhất giữa con người và người máy trong các thực thể người máy mới là một trong những chủ đề phổ biến nhất trong khoa học viễn tưởng và gần với thực tế khoa học hơn người ta tưởng.
Sự thật về người máy
Nghiên cứu cơ sinh học bao gồm các thí nghiệm tiên phong nổi tiếng với bộ phận cấy ghép được thực hiện bởi giáo sư điều khiển học Kevin Warwick của Đại học Reading, người đã sử dụng chính mình làm chuột lang. Trong Dự án Cyborg 1 vào năm 1998, một bác sĩ đa khoa đã cấy một máy phát vô tuyến dài 23 mm và đường kính 3 mm (về cơ bản là thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến RFID) vào cánh tay trái của anh ta. Đây là lần đầu tiên việc cấy ghép như vậy được thực hiện. Trong một thử nghiệm thành công kéo dài XNUMX ngày, khi được một thiết bị yêu cầu ra lệnh, bộ cấy sẽ phát ra một tín hiệu được mã hóa dùng để mở cửa, bật đèn, bật máy sưởi và máy tính.
Là một phần của dự án Cyborg 2, vào năm 2002, tại Bệnh viện Oxford, một nhóm bác sĩ phẫu thuật thần kinh đã thực hiện một ca phẫu thuật phức tạp để phẫu thuật cấy ghép một bộ phận cấy ghép với ma trận 100 điện cực phức tạp hơn nhiều vào các sợi thần kinh giữa của cánh tay trái của Giáo sư Warwick. Được phát triển bởi một nhóm do Tiến sĩ Mark Gasson đứng đầu, công nghệ cấy ghép cho phép Warwick điều khiển một chiếc xe lăn điện và một cánh tay nhân tạo "thông minh". Bộ cấy có thể đo tín hiệu thần kinh ở cánh tay và tạo cảm giác nhân tạo bằng cách kích thích dây thần kinh bằng các điện cực mảng tùy chỉnh. Vợ của giáo sư Warwick cũng đồng ý tham gia thí nghiệm và cấy thiết bị cấy ghép tương tự vào cánh tay của bà, cho phép cặp đôi thể hiện chức năng hai chiều của công nghệ này.
Trong khi công trình này chứng minh khả năng của hệ thần kinh trong việc điều khiển một thiết bị cơ học mô phỏng cơ chế sinh học của con người, công trình khác đã chỉ ra cách cấy ghép điện có thể giúp khắc phục những tổn thương đối với hệ thần kinh mà trước đây được cho là không thể sửa chữa. Tiến sĩ Harkema từ Đại học Louisville đã chỉ ra cách cấy ghép tương đối đơn giản có thể khôi phục cử động mặc dù chấn thương tủy sống “hoàn toàn”. Chỉ sử dụng một máy kích thích ngoài màng cứng 16 chân (bên ngoài màng cứng) được thiết kế để kiểm soát cơn đau, Tiến sĩ Harkema và nhóm của bà đã phục hồi cảm giác, cử động và đứng ở một người đàn ông bị liệt trong 16 năm từ ngực trở xuống sau một tai nạn xe mô tô vào năm XNUMX năm. Khi bật máy kích thích, Kent Stevenson có thể di chuyển chân và mắt cá chân theo ý muốn cũng như tự đứng vững, những khả năng này sẽ được cải thiện khi luyện tập cường độ cao. Việc cấy ghép sẽ kích thích các dây thần kinh khỏe mạnh nằm phía dưới tủy sống thay vì điều chỉnh hoặc loại bỏ các rối loạn về tủy sống.
Chất kích thích cột sống
“Trong nhiều thập kỷ, gần một thế kỷ, chúng ta đã biết rằng ở tất cả các loài khác, tủy sống là một hệ thống rất phức tạp và thực sự kiểm soát mọi khía cạnh của sự vận động (tập hợp các chuyển động phối hợp mà một vật thể di chuyển trong không gian). Nhưng người ta tin rằng khi con người tiến hóa và chúng ta có được bộ não tuyệt vời, nó được cho là đã nắm quyền kiểm soát mọi thứ, Tiến sĩ Harkema nói. “Vì vậy, nghiên cứu của tôi thực sự tập trung vào việc liệu tủy sống của con người có cung cấp những đặc tính này hay không và phát hiện ra rằng nó có thực hiện những chức năng này hay không. Và điều này có ý nghĩa gì đối với một người bị chấn thương tủy sống là ngay cả khi có sự mất kết nối hoàn toàn và rõ ràng với não, thì chúng ta vẫn có thể làm được rất nhiều điều với những gì còn lại trong hệ thần kinh.”
“Có thể là mọi chuyển động đều được kiểm soát ở cấp độ tủy sống,” Tiến sĩ Harkema tiếp tục, suy đoán rằng não đưa ra các mệnh lệnh cấp cao hơn là kiểm soát chi tiết mọi chuyển động và các tín hiệu rất yếu phải đi qua hoặc bỏ qua thiệt hại. “Khi chúng tôi tiếp tục đào tạo những người này, lượng kích thích mà chúng tôi cần sẽ giảm đi, vì vậy chúng tôi cho rằng hệ thần kinh đang thích nghi.”
Trong khi các thiết bị cơ sinh học và điện sinh học ngày càng trở nên hiệu quả trong việc sử dụng chân tay giả và bộ phận cấy ghép để nâng cao khả năng thể chất của người khuyết tật, thì tiềm năng của các công nghệ liên quan và liên quan đến việc cải thiện hiệu suất của con người đang được khám phá với sự nhiệt tình ngày càng tăng. Biểu hiện thú vị nhất của điều này là bộ xương ngoài và bộ đồ ngoài anh em họ của chúng, đại diện cho một lĩnh vực tương đối mới là “robot mềm”.
Sự trỗi dậy của máy móc
Bộ xương ngoài cho phép con người nâng và mang vật nặng, di chuyển nhanh hơn và duy trì chức năng với những vật nặng mà không thể dễ dàng nâng lên nếu không có sự trợ giúp. Bộ xương ngoài thụ động (hoặc không có nguồn điện) cho phép người đeo chịu được vật nặng mà không bị căng, nhưng không truyền thêm bất kỳ lực nào. Lockheed Martin và Raytheon đã rất tích cực trong lĩnh vực công nghệ khung ngoài quân sự. Công ty đầu tiên trong số này đã phát triển hệ thống thân dưới HULC (Thiết bị chở tải đa năng dành cho con người) chạy bằng pin, được Quân đội Hoa Kỳ đánh giá để sử dụng trong điều kiện chiến đấu. Hệ thống FORTIS thứ hai không có nguồn điện được thiết kế để sử dụng trong công nghiệp. Dự án chứng minh khái niệm XOS 1 của Raytheon cuối cùng đã tạo ra một hệ thống toàn thân được chỉ định là XOS 2.
Vào ngày 18 tháng 2014 năm XNUMX, Lockheed Martin thông báo rằng họ đã nhận được hợp đồng từ Trung tâm Khoa học Công nghệ Quốc gia để đánh giá hai bộ khung ngoài FORTIS của Thủy quân lục chiến. Mục đích chính của công việc này là phát triển công nghệ và tổ chức quá trình chuyển đổi sang cơ sở công nghiệp của Bộ Quốc phòng, thử nghiệm và đánh giá việc sử dụng hệ thống này khi làm việc với các dụng cụ cầm tay tại các xưởng đóng tàu của Hải quân Hoa Kỳ.
Bộ xương ngoài thụ động FORTIS bao gồm một đai xương chậu cứng giúp truyền tải trọng lớn xuống mặt đất thông qua các chân có khớp nối, cho phép người đeo đi lại bình thường. Một cánh tay có khớp nối gắn vào đai chậu hỗ trợ trọng lượng của các dụng cụ cầm tay nặng, cho phép người dùng vận hành chúng trong thời gian dài mà ít mệt mỏi nhất. Các khớp tay có lò xo có kỹ thuật tương tự như khớp tay người nên người đeo có thể cử động như bình thường.
Adam Miller, lãnh đạo kinh doanh mới của Lockheed Martin, cho biết: “Việc bảo trì hàng hải thường yêu cầu các công cụ nặng, chẳng hạn như máy mài, búa tán đinh hoặc máy phun cát. Những công cụ này tốn rất nhiều công sức của người vận hành do trọng lượng của chúng và điều kiện làm việc chật chội mà đôi khi họ phải làm việc. Bằng cách đeo bộ khung ngoài FORTIS, người vận hành có thể làm việc với các công cụ nặng trong thời gian dài mà sự mệt mỏi của họ giảm đi đáng kể.”
FORTIS cho phép chủ sở hữu làm việc ở tư thế đứng hoặc quỳ, trong khi cánh tay zeroG, do công ty Equipois của Mỹ phát triển, giúp người dùng có thể thao tác “dễ dàng” với các công cụ hoặc vật thể khác nặng tới 16,3 kg. Lockheed Martin tuyên bố giảm 300% tình trạng mỏi cơ và tăng năng suất gấp 27 đến XNUMX lần.
Bản sửa đổi đã điều chỉnh công nghệ khung ngoài của nó để sử dụng trong chương trình TALOS (Bộ đồ điều hành hạng nhẹ tấn công chiến thuật) của Bộ chỉ huy hoạt động đặc biệt Hoa Kỳ. Một hệ thống PROWLER khác được phát triển bởi công ty B-tema của Canada và đóng vai trò như một bộ xương ngoài cho chi dưới.
Bộ khung ngoài XOS 2 của Raytheon được cấp nguồn từ bên ngoài nên nó được gắn vào xe, nhưng công ty đã công bố một biến thể thân máy thấp hơn sẽ có pin riêng
Ý tưởng cũ, công nghệ mới
Công việc chế tạo các bộ xương ngoài đang hoạt động (có nguồn điện riêng) cho quân đội đã diễn ra trong nhiều thập kỷ. Những ví dụ ban đầu bao gồm sự hợp tác giữa General Electric và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân để phát triển một thiết bị có tên HARDIMAN. Sự hợp tác này bắt đầu vào năm 1965 như một chương trình chung giữa Quân đội và hạm đội. Nó có thể được lấy cảm hứng từ trang phục của những người lính bộ binh trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng Starship Troopers năm 1959 của Robert Heinlein. Được thiết kế cho các nhiệm vụ như tải vũ khí và các công việc nặng nhọc khác trên tàu sân bay, HARDIMAN có thể nâng tải nặng 680,3 kg; Đồng thời, có phản hồi lực để cho phép người vận hành cảm nhận được điều gì đang xảy ra. Tuy nhiên, HARDIMAN cũng nặng 600 kg và sự chậm trễ trong hệ thống điều khiển khiến nó không thực tế.
Bộ khung ngoài XOS 2 của Raytheon gần giống nhất với khái niệm HARDIMAN, trong đó nó được thiết kế cho công việc hậu cần, nhưng công nghệ hiện đại khiến nó trở nên thiết thực hơn đáng kể. Cấu hình kích thước đầy đủ của nó bao gồm các cánh tay được dẫn động bằng thủy lực cho phép người đeo nâng 90,7 pound vài trăm lần mà không mệt mỏi và đạp xe nhiều lần qua tấm ván ba inch. Tuy nhiên, công ty nói rằng "nó nhanh nhẹn và duyên dáng đến mức cho phép chủ nhân của nó chơi với một quả bóng đá, đánh bao cát hoặc leo lên các bậc thang và đường dốc một cách dễ dàng." Khi Raytheon Sarcos tiết lộ bộ khung ngoài XOS 2 vào tháng 2010 năm XNUMX, phó chủ tịch công ty đã nói rằng với nguồn tài chính ổn định, chúng có thể được triển khai trong vòng XNUMX năm.
Bộ khung ngoài điện thủy lực HULC của Lockheed Martin được cung cấp năng lượng và không cần dây buộc, chuyển tải trọng lên tới 90,7 kg cộng với 24 kg của chính nó xuống đất thông qua các chân titan. Thử nghiệm cơ sinh học của bộ xương ngoài HULC đã được thực hiện trên các binh sĩ Quân đội Hoa Kỳ tại Trung tâm Nghiên cứu Natick trong năm 2011, dẫn đến cái được mô tả là một loạt "chuyến du ngoạn thực địa trong không gian chiến đấu mô phỏng" để xác định tính hữu dụng của nó.
Theo Đại học Harvard, “Các biến thể đầy hứa hẹn của Soft Exosuit có thể giúp ích cho những người bị hạn chế về khả năng vận động”.
Bộ xương ngoài của Bộ chỉ huy hoạt động đặc biệt và DARPA
Công nghệ bộ xương ngoài là một phần của chương trình TALOS, là nỗ lực kết hợp khả năng bảo vệ đạn đạo toàn thân nhẹ hơn, hiệu quả hơn với sức mạnh “vượt quá khả năng của con người”. Là sản phẩm trí tuệ của Chỉ huy Hoạt động Đặc biệt, Đô đốc William McRaven, TALOS là nguyên mẫu tốc độ nhanh tập hợp nhiều công nghệ từ 56 tập đoàn, 16 cơ quan chính phủ, 13 trường đại học và 10 phòng thí nghiệm quốc gia. Ba nguyên mẫu thụ động (không dây) dự kiến sẽ được giao cho bộ chỉ huy vào tháng 2015 năm 2018 và hệ thống này dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào tháng XNUMX năm XNUMX.
Một số chi tiết cụ thể đã xuất hiện về các ứng cử viên công nghệ cơ sinh học, nhưng một trong những điều thú vị nhất là dự án Soft Exosuit đang được phát triển như một phần của chương trình Warrior Web của DARPA. Cơ quan này đã trao cho Đại học Harvard một hợp đồng trị giá 2,9 triệu USD để tiếp tục phát triển Soft Exosuit, có thể mặc bên trong quần áo. Nó sẽ cho phép binh sĩ di chuyển quãng đường dài hơn, giảm mệt mỏi và giảm thiểu nguy cơ chấn thương khi mang vác nặng.
Công trình trước đây đã cung cấp bằng chứng về khái niệm mà trường đại học gọi là cách tiếp cận hoàn toàn mới để thiết kế và chế tạo một “robot có thể đeo được” lấy cảm hứng từ sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế sinh học của dáng đi của con người. Công nghệ Soft Exosuit đang thúc đẩy sự phát triển của thứ mà trường đại học mô tả là “các dạng vải chức năng hoàn toàn mới, hệ thống động cơ linh hoạt, cảm biến mềm và chiến lược điều khiển cho phép tương tác giữa người và máy một cách trực quan và liền mạch”.
Connor Walsh, người đứng đầu nhóm thiết kế cho biết: “Mặc dù ý tưởng về robot có thể đeo không phải là mới, nhưng cách tiếp cận của chúng tôi để tạo ra một robot chắc chắn rất sáng tạo”.
Bằng cách mô phỏng hoạt động của các cơ và gân của chân trong khi đi bộ, bộ đồ còn mang đến sự hỗ trợ nhỏ nhưng “đồng bộ một cách cẩn thận” cho các khớp mà không bị hạn chế cử động. Một trong những nguyên mẫu hiện tại có nhiều dây đai chịu trọng lượng quanh phần thân dưới. Những chiếc thắt lưng này chứa một bộ vi xử lý công suất thấp và một mạng lưới các máy đo độ căng linh hoạt phối hợp với nhau để theo dõi vị trí và chuyển động của cơ thể người đeo. Tuy nhiên, không giống như bộ xương ngoài cứng, Soft Exosuit dường như không truyền tải trọng xuống mặt đất.
Mặc dù tải trọng mà binh lính mang khó có thể trở nên nhẹ hơn, nhưng hiểu biết về cơ sinh học của con người và các công nghệ mới liên quan đến nó sẽ làm cho tải trọng của họ, bao gồm cả những tải trọng gây thương tích, nhẹ hơn.
Vật liệu sử dụng:
www.monch.com
www1.iwr.uni-heidelberg.de
www.lockheedmartin.com
www.raytheon.com
tin tức