Инженерлік биомеханика (экзоcкелетон, робототехника т.б.). Медициналық биомеханика (протездеу т.б.). Биология, 10 сынып, дидактикалық материал.

Ақпарат көзі (источник информации): https://www.popmech.ru/technologies/12782-kak-rabotayut-bionicheskie-konechnosti/

Искусственные конечности, управляемые искусственным интеллектом, способны самостоятельно оценивать окружающую обстановку и предугадывать намерения своего хозяина. Легко представить себе день, когда построенные на их основе механизмы смогут пригодиться и абсолютно здоровым людям.

По земле пока ходит не так уж много субъектов, которых можно было бы назвать настоящими биомеханическими гибридами, так что встреча с фермером Дэвидом для любого станет сюрпризом. Рыжий, пышущий здоровьем и неугасимым весельем здоровяк встречает нас на посыпанном гравием проезде, ведущем к его мастерской. 30-летний механик без колебаний спрыгивает со своего огромного трактора, пробирается среди вездеходов и раскиданных повсюду тракторных запчастей. Он хватается то за одно, то за другое дело, даже не задумываясь, что в некоторой степени он уже не человек, а машина.

Ломай — не стесняйся

Дэвид носит хитроумный протез левой ноги, которую потерял в автомобильной аварии. Сегодня протез должны заменить. Вот почему на ферму, где живет и работает Дэвид Ингвасон, приехали инженеры из компании Еssur. Штаб-квартира этого крупного производителя протезов расположена в Рейкьявике (Исландия), в часе езды от фермы Дэвида. Обычный исландский крестьянин, он оказался в избранном кругу инвалидов, которых обеспечили протезом марки SymbionicLeg. Это интегральная бионическая конструкция, включающая в себя искусственные колено, лодыжку и стопу.

Свою искусственную ногу Ингвасон регулярно ломает, хозяйничая на ферме, разъезжая по окружающим пустошам, поросшим высокой травой, лазая по затянутым мхом вулканическим плоскогорьям. Приводы забиваются глиной, механика стонет под непрерывными нагрузками, пока технический шедевр стоимостью больше иного седана не превращается в мертвую железяку, набитую электроникой. Как объясняет Магнус Оддсон, отвечающий за разработку новой техники в компании Еssur, при любых осложнениях от Ингвасона требуется всего лишь позвонить, и сотрудники компании тут же привезут ему новую ногу, причем совершенно бесплатно. Ведь для фирмы все повреждения, которые испытатель наносит протезу в результате крайне небрежного обращения, — источник весьма ценной информации.

Когда ноге не нужен мозг

Прошлой осенью компания Еssur выпустила в продажу модель Symbionic — первую в мире искусственную ногу с электронным управлением, доработанную до уровня массового производства. Это выдающаяся веха в истории разработки протезов. Нога Ингвасона выступает, по сути, в роли самостоятельного робота, напичканного датчиками, которые исследуют окружающую среду и угадывают намерения хозяина. Специальные процессоры вычисляют, на какой угол должна выдвинуться при шаге искусственная нога. Та же идеология закладывается в конструкции искусственных рук, когда сложнейшие алгоритмы помогают определить, с каким усилием нужно схватить пластиковую бутылку с водой или как спружинить, упершись в пол при падении. Протезы, чье действие основано на самостоятельном видении и слухе, полностью обходятся без поврежденных органов чувств. Все эти бионические системы способны активно подстраиваться под характер своих владельцев. Служа человеческому телу, они восстанавливают его функции.

Возьмем один из характерных случаев, когда человека может подвести протез традиционной конструкции. Обычно механическое колено фиксируется намертво, когда пятка касается земли. Таким образом, протез поддерживает вес человеческого тела. Когда вес переходит на носок, колено разблокируется. Но если носок касается земли слишком рано, искусственная нога может самопроизвольно сложиться под весом хозяина. Протез типа Symbionic Leg обмануть не просто. Датчики усилия и акселерометры постоянно отслеживают положение ноги по отношению к ее владельцу и к окружающим предметам. Встроенные процессоры анализируют все входные данные с частотой 1000 замеров в секунду и оперативно принимают оптимальные решения — когда приложить усилие, а когда его снять. Для того чтобы фиксировать или отпускать коленный сустав, здесь нужно нечто большее, чем просто чувствительное касание земли носком ступни.

Но, допустим, умный протез как-то ошибется, просчитывая ситуацию, — тогда первый же импульс, указывающий на то, что его владелец готов упасть, запускает в действие программу по восстановлению равновесия. Приводы сразу же вдвое замедлят свое движение, а магнитная жидкость, заполняющая колено, станет более вязкой, повышая сопротивление. Если верить Ингвасону, вся система работает так, что он почти никогда не падает — по крайней мере реже, чем это бывало, когда он ходил на своих ногах.

Новый протез Ингвасона — это следующая модель Symbionic Leg, заряженная модернизированными программами. С их помощью колено и лодыжка смогут осмысленно взаимодействовать между собой. В ближайшие годы компания Еssur собирается создать своего рода «сетевой разум». Но вот новый протез уже на ноге. Поначалу Ингвасон довольно неуклюже заковылял через свой грязный двор, заваленный ржавыми останками тракторов и легковушек. Но всего через несколько минут робот подстроился под своего хозяина.

Сначала строить, потом — выращивать

Каким в компании Еssur видят будущее? «Хорошо было бы, говорит Оддсон, — собрать все знания, которые накоплены в компании Еssur, и разработать нечто, вообще игнорирующее нервную систему человека. Это будет не экзоскелет. Правильнее было бы назвать такую концепцию «Умные штаны». На первых порах она может быть подспорьем для парализованных. Такое устройство стало бы стимулировать мускулы, генерируя те команды, которые уже не способны выдавать мозг или поврежденные нервы. Можно было бы использовать уже имеющиеся приводы, то есть человеческие мускулы, но приладить к ним новый центральный контроллер».

А в самой дальней перспективе, считает Оддсон, протезирование как отдельная отрасль науки и техники должно исчезнуть вообще, уступив место будущим технологиям восстановления утраченных органов. К 2050 году, предсказывает он, конечности можно будет создавать с нуля. Кто знает, будут ли их выращивать или строить на основе печатной технологии? Все сокровенные биомеханические тайны, раскрытые такими компаниями, как, к примеру, Еssur, будут сведены в единую упряжку для восстановления человеческой плоти по новым технологиям.

Забавно слушать такие оптимистические прогнозы, в которых специалист предсказывает, что его отрасль уйдет со сцены благодаря ее же собственному эффективному развитию и уступит свое место другим областям знания. Правда, вся наработанная изощреннейшая техника не пропадет втуне — она будет реализована в новых устройствах, которые изменят жизнь миллионов людей, как больных, так и вполне здоровых.

http://www.str-t.ru/reports/19/

1. Экзоскелеты военного назначения.

• Экзоскелет с интегрированной в конструкцию бронёй может использоваться для ведения боевых действий (экзоскелет поля боя). При этом типовым сценарием применения будет попадание в различные части тела пехотинца боеприпасов, выпущенных из стрелкового вооружения заданного калибра. Основной задачей экзоскелета при этом будет обеспечение защиты оператора, в том числе и от так называемых запреградных травм. Как показывают расчёты [1], боевая эффективность пехотинца, после снаряжения его защитной экипировкой на базе экзоскелета, может вырасти на порядок.
• Такелажный экзоскелет может найти себе применение при подготовке к вылету летательных аппаратов (установка вооружения на узлы подвески), что особенно ценно в условиях ограниченных пространств, таких как помещения авианесущего корабля.

2. Экзоскелеты, обеспечивающие предупреждение и ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций.

• Тушение пожаров в высотных зданиях. При оснащении экзоскелетом пожарные смогут быстро и без лишних физических усилий добраться до места тушения пожара. Экзоскелет должен обеспечивать передвижение оператора по лестничным пролётам и в условиях завалов. Выдвигаются повышенные требования к пожаро- и взрывозащищённости.
• Возведение защитных сооружений при стихийных бедствиях, строительство плотин при наводнениях. Спасатели, снабжённые экзоскелетами, могут оперативно и в течение длительного промежутка времени выполнять свои функции.
• Перенос грузов в заплечном ранце на заданные расстояния: доставка средств первой медицинской помощи, продовольствия и других грузов в недоступные для транспортных средств районы.

3.Экзоскелеты для применения в промышленной и строительной сфере. Предельные физические нагрузки, выпадающие на долю рабочих-сборщиков, монтажников, строителей, приводят к большому количеству производственных травм, в том числе хронических, таких как различные формы грыж, болезни суставов, позвоночника. Широкое применение экзоскелетов в промышленном производстве, строительстве может коренным образом переломить сложившуюся ситуацию.

• Проведение погрузочно-разгрузочных работ с помощью экзоскелета нижних и верхних конечностей, что особенно актуально при строительно-монтажных работах. Типовой сценарий применения заключается в переносе грузов на небольшие расстояния: необходимо подойти к грузу, нагнуться или присесть, закрепить груз на руках, встать, подойти с грузом к месту разгрузки, нагнуться или присесть и положить груз в нужное место.
• Удержание массивных элементов конструкций при их монтаже или фиксация деталей при сборке агрегатов.
• Сборка металлоконструкций, каркасов домов, несущих элементов, срубов, установка их на фундамент.
• Укладка труб, строительство трубопроводов и других подземных коммуникаций.
• Выкапывание траншей в условиях тяжёлого грунта и невозможности привлечения специальной строительной техники или оборудования.
• Строительство железнодорожных путей, кабельных сетей, особенно в ограниченных пространствах, где не может работать тяжёлая строительная техника (например, шахты, бункеры и другие подземные сооружения).
• Использование для работ на ручном вибрационном инструменте (отбойный молоток, трамбовочная машина, дорожно-строительные виброплиты) экзоскелета нижних и верхних конечностей способно предотвратить развитие вибрационной болезни [2]. Необходимо проработать возможность использования экзоскелета верхних конечностей, обеспечивающего эффективное демпфирование колебаний инструмента.
• Монтаж и демонтаж строительного оборудования.
• Монтаж-демонтаж щитовой опалубки, опалубочных систем.
• Дорожное строительство, работа коммунальных служб.

4. Экзоскелеты для медицинского применения.

• Обеспечение реабилитации пациентов: антропоморфная ходьба.
• Экзоскелет, способный передвигаться по ровной, слабо пересечённой местности и по лестницам, является хорошей альтернативой инвалидному креслу.

1. Для военного экзоскелета поля боя критическими являются следующие атрибуты:

• автономность;
• заметность;
• акустическое воздействие;
• время реакции системы управления;
• масса и габариты;
• эргономичность;
• бронезащищённость;
• пожарозащищённость;
• взрывозащищённость;
• возможность экстренного снятия с оператора;
• обеспечение выполнения ряда важнейших функций, таких как обеспечение подвижности, в условиях деградации ресурсов оператора (критический уровень усталости, травма, ранение и т.п.);
• время, затрачиваемое оператором на приведение экзоскелета в состояние полной готовности;
• средняя потребная мощность.

Наиболее важными атрибутами такелажного экзоскелета являются:

• грузоподъёмность;
• эргономичность;
• пожарозащищённость;
• средняя потребная мощность

Автономность не является критическим атрибутом, так как для выполнения ряда типовых сценариев, таких как подготовка к вылету летательных аппаратов, возможно привлечение внешней силовой установки.

2. Критическими атрибутами экзоскелетов, обеспечивающих предупреждение и ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций, являются:

• грузоподъёмность;
• пожарозащищённость;
• взрывозащищённость;
• эргономичность;
• средняя потребная мощность;
• возможность экстренного снятия с оператора

Автономность не является непременным атрибутом, так как для разбора завалов и ряда других операций могут привлекаться и неавтономные экзоскелеты.

3. Критическими атрибутами для промышленных и строительных экзоскелетов являются:

• грузоподъёмность;
• эргономичность;
• средняя потребная мощность

4. Экзоскелеты для медицинского применения должны обладать такими атрибутами, как:

• обеспечение выполнения ряда важнейших функций в условиях деградации ресурсов оператора;
• масса и габариты;
• эргономичность

Очевидно, что наиболее высокие требования предъявляются экзоскелету поля боя. Это обосновано, с одной стороны, экстремальной областью применения, а с другой, - тем, что практически каждый параметр экзоскелета этого типа непосредственным образом влияет на жизнь и здоровье оператора.