Преди повече от 50 години инженерът на General Electric и пионерът в роботиката Ралф Мошър представи новаторска техническа статия на Конгреса по автомобилно инженерство през 1967 г. в Детройт, САЩ, очертавайки своята визия за използването и развитието на екзоскелети.
„Човек и машина могат да бъдат комбинирани в интимна, симбиотична единица, която ще функционира по същество като една свързана система“, пише той. „Адаптивният, рефлексен контрол на човека може да се предаде директно на механизъм, така че механизмът да реагира така, сякаш е естествено продължение на човека. ...Освен това среди, които обикновено са враждебни към човека, не влияят на машината.“
Тогава това беше възвишена визия, но Мошер работи упорито за реализирането й. „Мошер беше един от най-ранните пионери на екзоскелетите, работейки заедно с въоръжените сили на САЩ, за да доближи машините до тялото“, обяснява Крис Хънтър, вицепрезидент на колекциите и изложбите в Музея за иновации и наука в Ню Йорк. „Заедно те разработиха „Hardiman“ – екзоскелет, който се състои от два костюма, главен костюм, който контролира костюм на роб, носен и от потребителя.“
Костюмът на роб се захранваше от хидравлика и електричество и усилваше силата на носещия го с коефициент 25, така че вдигането на 110 кг ще се почувства като вдигане на 4,5 кг. За съжаление обаче самият костюм тежеше 680 кг и времето за реакция беше невероятно бавно, както и скоростта му на ходене. Нещо повече, съобщава се, че грешките причиняват „насилствено и неконтролируемо движение от машината“ при едновременно движение на двата крака. Тогава не беше изненада, когато тези предизвикателства сложиха край на проекта Хардиман през 1971 г.
Много неща се промениха от този ранен напредък. „Има експлозия от иновации в областта на биомеханиката, протезирането, роботиката и системите за управление, интерфейсите човек-машина, крайните ефекти, мехатронните подсистеми и управлението на мощността“, обяснява Кристи Мартиндейл, главен продуктов директор в американската технологична фирма Sarcos Robotics. „Тези разработки доведоха с времето до търговската жизнеспособност на технологиите за екзоскелет.“
„Екзоскелетите също станаха по-леки, по-ефективни и способни да имитират по-точно движение като човешката походка“, добавя Марк Карел-Билярд, старши управляващ директор и ръководител на технологичните иновации в мултинационалната компания за професионални услуги Accenture. „Това ги прави по-безопасни и по-практични от всякога.“
В резултат на това през годините има разпространение на нови компании за екзоскелети. „Съществуваме от самото начало, но днес има над 80 компании за екзоскелети в световен мащаб, всички опитващи се да решат сложни човешки фактори с екзоскелети“, обяснява Майкъл Прат, вицепрезидент на базираната в Калифорния фирма Ekso Bionics.
Очаква се това глобално усилие да доведе до реален растеж на пазара. ABI Research прогнозира, че пазарът на роботизирани екзоскелети ще достигне 1,8 милиарда щатски долара през 2025 г. спрямо 68 милиона долара през 2014 г. След това ще се увеличи до огромните 11,5 милиарда долара до 2030 г., като индустриалните екзоскелети, задвижвани от цялото тяло, съставляват почти 50 процента от тази сума. „Това са значителни числа и наистина подчертават размера на пазарната възможност за екзоскелети“, казва Мартиндейл.
Заедно с този растеж ще дойдат разширени случаи на употреба, особено в индустрии като строителство и производство, където служителите носят и прехвърлят тежки товари и се движат по повтарящ се начин.
„Нараняванията на гърба в момента са втората най-честа причина за липса на работа в САЩ и причиняват икономическо въздействие от 100 милиарда долара годишно“, казва Карел-Билярд. „Екзоскелетите осигуряват на работника повече сила, ловкост и издръжливост и могат да му позволят да повдига тежки предмети, намалявайки цялостното натоварване на персонала. Междувременно пасивните екзоскелети – тези, които не изискват външно захранване – са рентабилен вариант за намаляване на физическото напрежение и могат да бъдат предоставени на хиляди служители.“
„Работата на строителни обекти е физически трудна работа“, добавя Саския Дъч, регионален продуктов мениджър на Hilti за Северна Европа. „Има множество задачи, които работниците ще изпълняват през целия ден и които могат да имат отрицателно въздействие върху техния комфорт, здраве и безопасност. Екзоскелетната система осигурява правилното ниво на поддръжка за по-удобно изпълнение на тези приложения, което води до по-малко умора и предотвратява възпрепятстването на други задължения. Екзоскелетът също така е проектиран да издържа на среда с наличие на прах, което е важен фактор за поддържане на работните места продуктивни и безопасни.“
Точно в тези сценарии няколко фирми постигат реален напредък. Столът без стол от Noonee, например, поддържа потребителите, когато клякат или стоят в една и съща позиция за дълги периоди от време.
„Столът без стол 2.0 вече е третото продуктово поколение и непрекъснато се развива в сътрудничество с известни производители на автомобили“, обяснява Катрин Хофман, говорител на Noonee. „Екзоскелетът пренасочва 64 процента от телесното тегло, носено от краката, и облекчава напрежението на гърба. Това прави стола без стол толкова специален. Екзоскелетите за горната част на тялото поддържат силата, но допълнителната тежест на екзоскелета трябва да се носи от тялото. Столът без стол, от друга страна, прехвърля по-голямата част от тежестта през краката на екзоскелета към земята.
Решението на Hilti междувременно се фокусира върху приложения над главата. „Екзоскелетът е уникално допълнение към продуктовата гама на Hilti и предлага на клиентите поддръжка от следващо ниво по отношение на намаляване на умората и болката, причинени от работа върху приложения над главата“, обяснява Дъч. „Проектиран е с правилния баланс на опорна мощност, свобода на движение и комфорт, така че клиентите да могат да го носят през целия ден.“
Дуч казва, че системата Hilti подобрява производителността, защото предоставя на работниците способността да изпълняват тежки задачи с по-малко болка и умора. „Системата генерира сили, за да поддържа ръката на оператора по време на работа, като намалява натоварването върху раменните стави и намалява риска от нараняване на раменната става, което често може да възникне при редовна работа върху приложения над главата“, казва тя. „Добавете към това нашето управление на автопарк, сила за директни продажби и цифрови услуги и ще имате уникално предложение.“
Базираната в Калифорния Levitate Technologies също създаде екзоскелет за горната част на тялото – такъв, който Джоузеф Завайде, вицепрезидент на фирмата по маркетинг и бизнес развитие, казва, че е достатъчно нисък профил, достатъчно лек, достатъчно функционален и достатъчно дишащ, за да бъде практичен и се носи всеки ден от крайния потребител. „Тази практичност го прави лесен за използване, което води до по-добро възприемане от крайния потребител“, обяснява той. „Това е единственият екзоскелет на горната част на тялото, който е класифициран и разрешен като лични предпазни средства (ЛПС) от производители от световна класа.“
EVO Industrial Exoskeleton на Ekso Bionics позволява на потребителя да може да повдига и държи електроинструменти, сякаш не тежат нищо. „Нашият индустриален екзоскелет от второ поколение, EVO, има нови принципи на проектиране, за да увеличи възможностите на индустриалните спортисти и да ги подкрепи с физическото естество на ежедневната им работа“, казва Прат. „EVO е разработен въз основа на богат опит в реални приложения. Когато става въпрос за екзоскелети за горната част на тялото, EVO е уникално лек, гъвкав и издръжлив. Новият дизайн на EVO проследява естественото движение на тялото и позволява неограничен обхват на движение, за да поддържа най-добре носещия, като същевременно повишава издръжливостта му.“
Въпреки че всички тези решения са невероятно впечатляващи, в момента на пазара днес има само един екзоскелет с цяло тяло, захранван с батерии, който успешно превръща ранната визия на Rosher в реалност – и това е Guardian XO на Sarcos Robotics.
В продължение на двадесет години, Guardian XO използва повече от 125 интегрирани в роботи сензори за откриване на условията на околната среда и движението на оператора. Теглото на костюма, както и неговият полезен товар, се прехвърлят през конструкцията на костюма към земята и водят до разтоварване на 100 процента от теглото, което работникът носи, както и теглото на самия костюм. Това означава, че операторът може да извършва часове физически натоварваща работа в костюма, повдигайки и манипулирайки тежки предмети многократно, без да причинява напрежение или нараняване на тялото си.
„Guardian XO е проектиран да се справя с предизвикателна работа в неструктурирани среди“, обяснява Мартиндейл. „За тази цел той може да вдигне до 200 фунта [90 кг]. Той е в последния етап на развитие.
Дълбочината и широчината на тези решения не остават незабелязани – всъщност някои от най-големите индустриални фирми в света вече осъзнават предимствата на тези екзоскелетни решения. За заводите за производство на автомобили на BMW Group в Германия например се съобщава, че използват решения от Ekso Bionics и Noonee. Решението на Levitate елиминира нараняванията и разходите за обезщетения на работниците за определени режийни работни места в Toyota Motor Manufacturing North America.
Немският производител на автомобили Audi използва стола без стол в производствения си цех. Междувременно Ford добави първото поколение носим екзоскелет на Ekso Bionics, EksoVest, към 15 завода за сглобяване в седем държави след успешна пилотна програма. И един от най-големите изпълнители във Великобритания, Уилмот Диксън, изпробва EksoVest като решение на няколко строителни обекта в цялата страна.
„За чест на индустриалните работодатели, мнозина сега търсят ергономични решения в рамките на ограниченията на изискванията на повтарящи се физически работни места“, казва Прат. „Основните индустрии са производство, автомобилостроене, хранително-вкусова промишленост и строителство. Нашите клиенти използват нашето решение за екзоскелет, за да стимулират предвидима производителност и продуктивност.
„В допълнение към това нашите клиенти също се възползват от набирането и задържането на таланти, намалените разходи за отсъствие от работа, подобрената ангажираност на служителите и по-високо ниво на морал в работна сила, която се чувства защитена и подкрепена да върши ежедневната си работа .”
Междувременно, в опит да ускори комерсиализацията на своя продукт, Sarcos Robotics сформира Техническа консултантска група за екзоскелет, която включва компании от индустриалното производство, автомобилостроенето, авиацията, космонавтиката, строителството, петрола и газа и комуналните услуги, включително Bechtel , Caterpillar, Delta, GE и Schlumberger, между другото. Тези компании работят със Sarcos от март 2018 г., за да идентифицират ключови изисквания за ефективност и безопасност.
Delta Airlines е първата компания, чиито служители на първа линия са работили директно със Sarcos, за да определят потенциалните оперативни употреби на Guardian XO. „През януари 2020 г. обявихме партньорство с Delta и показахме първата публична демонстрация на XO на изложението за потребителска електроника през 2020 г.“, казва Мартиндейл. „Delta обяви изпитания на XO с техните работници на първа линия за задачи по обработка на багаж.“
Имайки предвид тези постижения, е лесно да се развълнувате от настоящото приложение на екзоскелети – и експертите са съгласни, че предстои още по-вълнуващо бъдеще.
„В бъдеще екзоскелетите биха могли да действат и като свързани устройства, които осигуряват ниво на проследимост – предоставяйки представа отвъд изпълнението на задача и в подробности за това как е била изпълнена задачата“, казва Карел-Билярд. „Нещо повече, с консумацията можем да очакваме повече екзоскелети да поддържат ежедневните дейности в още повече сектори. Отвъд индустриалното пространство вече виждаме нови случаи на употреба за обучение, рехабилитация и дори отдих и очакваме да видим още повече приложения в бъдеще с напредването на технологията.“
Zawaideh очаква екзоскелетите да се превърнат в стандартни ЛПС точно като предпазните очила, предпазните обувки и коланите за защита от падане. „Очакваме екзоскелетите да бъдат наложени от много индустрии и също така очакваме те в крайна сметка да бъдат достъпни за потребителите в големи магазини като Home Depot“, казва той.
Хофман се съгласява: „Темата за ергономията на работното място става все по-важна и вече е добре внедрена в много компании“, казва тя. „Ето защо в бъдеще екзоскелетите ще бъдат неразделна част от работния свят. Наистина, след като сте изпитали предимствата на екзоскелетите, няма връщане назад.
Кратка история на екзоскелетите
1830: Британският изобретател Робърт Сиймор предлага концепция, която да помогне на хората да ходят с устройство за носене, което се задвижва от пара. 1889: Американският изобретател Айра С. С. Райнхарт проектира концептуално машина за ходене, която позволява на индивида да стъпва 7 фута и 4 инча (2,2 м) при обикновена крачка. 1860 г.: Руският инженер Николас Ягн разработи устройство, подобно на екзоскелет, което използва енергия, съхранявана в торбички със сгъстен газ, за да подпомага движението. Това пасивно решение изисква и човешка сила. 1890 г.: Патенти са предоставени на Yagn за решение, използващо дълги листови пружини, работещи успоредно на краката. Този екзоскелет е предназначен да увеличи способностите за бягане на руската армия. 1917 г.: американският изобретател Лесли С. Кели разработва това, което той нарича крачкомер, който работи с парна мощност с изкуствени връзки, действащи успоредно на движенията на носещия. Тази система успя да допълни човешката енергия с външна енергия. 1958: Инженерът на GE Ралф Мошер разработи Handyman за съвместната програма за ядрено задвижване на самолети на AEC-USAF. Mosher позволи на манипулаторите на Handyman да бъдат достатъчно чувствителни, за да подреждат яйца, но също така и достатъчно силни, за да оставят тежки предмети. На дебютната пресконференция на Handyman, Мошер вдигна и премести чук и завъртя хулахуп, за да илюстрира гъвкавостта на своето творение. 1965: Екзоскелетът Hardiman е разработен от General Electric, работещ с армията и флота на САЩ. Състои се от два костюма – главен, който контролира костюм на роб, също носен от потребителя. 1965 г.: Инженерът от Корнелския университет Нийл Мизен разработва 15,8-килограмов носещ се екзоскелет, наречен „човешки усилвател“, който според списание Popular Science ще позволи на потребител да вдигне 1000 фунта (450 кг) с всяка ръка. 1980: Учени от Националната лаборатория в Лос Аламос създават дизайн за „костюма Pitman“, задвижван от цялото тяло екзоскелет за използване от пехотинци от американската армия. 2000: Разширени изследователски проекти на отбраната Агенцията (DARPA) предложи финансиране за програма на стойност 75 милиона щатски долара, наречена Екзоскелети за повишаване на човешката производителност. 2010 г.: Списание Time нарече екзоскелета на Sarcos Robotics, подобен на Iron Man, за едно от „50-те най-добри изобретения на 2010 г.“.
