Екзоскелет тварин. Екзоскелети на службі у людини. Що таке зовнішній скелет
Скелет цього типу - характерна особливість членистоногих. Екзоскелет (кутикула) секретується епідермісом; він не містить клітин і складається в основному з хітіна. Це твердий зовнішній покрив тіла, побудований із зчленованих між собою пластинок або трубчастих утворень. Трахеї, передній (стомодеум) та задній (проктодеум) відділи травного тракту теж вистелені хітином. Хітін - міцний, легкий матеріал, проте він може набувати твердості при вбудовуванні в нього "задублених" білків або при звапнінні (особливо у водних ракоподібних). У ділянках скелета, які повинні зберігати рухливість, наприклад, у місцях зчленування пластинок, хітин залишається незміненим. Така конструкція із пластинок або трубочок, з'єднаних гнучкими плівками, забезпечує одночасно і захист, і рухливість.
Членистоногі - це єдина група безхребетних, що має членисті кінцівки, які складаються з важелів, з'єднаних подобою шарнірів. Ці важелі рухаються м'язами-згиначами і розгиначами, прикріпленими до внутрішніх виступів екзоскелета (рис. 17.1). Оскільки хітин проникний для води, наземним членистоногим, таким як комахи, могло б загрожувати висихання. Однак цього не відбувається завдяки епікутикулі – воскоподібному шару, що секретується залізистими клітинами епідермісу та через протоки виводиться на поверхню (рис. 4.33). Таким чином, екзоскелет не тільки служить опорою та захистом для внутрішніх органів, а й захищає тіло від зневоднення.
Для таких дрібних тварин, як більшість членистоногих, екзоскелет із порожнистих трубчастих елементів служить дуже зручною опорною та локомоторною структурою; трубка може, не згинаючись, витримувати значно більші навантаження, ніж щільний циліндр тієї самої маси. Однак зі збільшенням розмірів і ваги тварини така організація стає менш зручною - для збереження достатньої міцності товщина і маса екзоскелета мали б зрости настільки, що він зрештою виявився б надто важким і громіздким.
Зростання відбувається за линьках- У комах на ювенільних стадіях (личинки або німфи), а у ракоподібних і в дорослому стані. У певний час старий екзоскелет скидається (линяння) і оголюється новий – м'який та розтяжний. Тварина росте, доки нова кутикула ще не затверділа, завдяки її здатності розтягуватися і збільшуватися у розмірі, що часто супроводжується зміною форми. Зрештою новий екзоскелет стає жорстким, але до того моменту тварина вразлива для хижаків. У цей період скелет не здатний підтримувати вагу тіла та всякого роду рухи практично неможливі. Для водних тварин подібна проблема не така серйозна, тому що вода допомагає їм підтримувати вагу тіла, проте в період линяння і водні, і наземні тварини, як правило, ховаються в укриттях, щоб зменшити небезпеку бути схопленими хижаком. Линяння - це процес, що вимагає значних витрат енергії (насамперед на побудову нового екзоскелета) і пов'язаний із втратою матеріалу при скиданні старої кутикули.
Конструкцію екзоскелета люди підглянули у комах. І як показує практика, екзоскелет збільшує фізичні здібності людини у рази. Так само зовнішній скелет працює і у комах. Але як кріпляться до такого скелета м'язи, і що захищає органи?
Незважаючи на фактичну наявність скелета, комахи належать до класу безхребетних. Скелет людини, як і безлічі ссавців, розташований усередині тіла і включає хребет, ребра і кінцівки. До скелетних кісток кріпляться м'язи, які приводять його в рух. Комахи ж «вивернуті навиворіт».
Як комарі вбили 52 000 000 000 людей?
Екзоскелети збільшують силу людини, підвищують продуктивність та повертають втрачені здібності. Вони допомагають інвалідам, полегшують працю у промисловості та вдосконалюють армію.
Що таке екзоскелет
У дослівному перекладі з грецької екзоскелет – це зовнішній скелет. Автоматична конструкція, яка відновлює втрачені або посилює наявні функції тіла.
Він складається з міцного каркасу та приводів, які відповідають за переміщення. Такі системи дублюють роботу опорно-рухового апарату, розраховують зусилля та безпеку рухів.
Екзоскелети роблять пасивними та активними. Перші не збільшують силу і не забирають він фізичне навантаження, а розподіляють її по тілу. Активні моделі мають свій упор на землі. Вони беруть частину навантаження на себе. Так користувач піднімає більше важких речей - виходить ефект збільшення сили.
Перші екзоскелети
Ідеї про костюм, який підвищує здібності, зародилися у фантастиці. Принципи з цієї теми сформулював російсько-американський інженер-механік Микола Ягн. Щоправда, далі за теорію справа не пішла. Єдина втілена задумка - автоматичний прилад, що подає воду в парові котли - "Друг кочегару".
Перший екзоскелет зробили у Пентагоні. Він назвався Hardiman. Це був верстат з великим маніпулятором, у який потрібно було вставляти руку для керування. Його вантажопідйомність була 110 кг, але Hardiman не приніс серйозної користі. Він був дуже великим і важким (680 кг).
З 1980-х – з'явилися перспективні проекти. У 1990-х почалося виробництво у різних країнах. Костюми, як і раніше, були незграбними, але наближалися до того, щоб використовуватися в житті.
Зараз більшість екзоскелетів виробляється для медицини, армії чи промисловості.
Екзоскелети для інвалідів
Ekso GT
Екзоскелет для реабілітації після інсульту та травм спинного мозку. Ekso GT – це пара роботизованих ніг із милицями для ходьби. Вбудоване ПЗ збирає статистику у тому, скільки енергії йде кожен рух робота, які дії людина виконує сам.
Hybrid Assistive Limb (HAL)
Є для ніг (HAL 3) або для рук-ніг-торсу (HAL 5). Допомагає підняти вантаж у 5 разів більше, ніж може людина. Потрібен для реабілітації паралізованих. Приводи цього екзокостюму працюють від імпульсів м'язів. Окрім людей із проблемами здоров'я, HAL корисний літнім, будівельникам, працівникам МНС.
REX
Скелет для людей із дисфункцією ніг. Він допомагає ходити, вставати, сідати, підніматися сходами, рухатися назад і навіть робити «місячну ходу». Користувач керує ним з контрольної панелі та джойстика.
REX може усунути ускладнення, пов'язані з тривалим перебуванням в інвалідному візку.
Phoenix
Екзокостюм для вільної ходьби при паралічі ніг. Сильно відрізняється від громіздких моделей минулого десятиліття за розміром та вагою (12 кг). Це можливо через використання лише двох приводів на стегнах. Коліна підтримуються у потрібному положенні рахунок систем натягу.
eLegs
Екзоскелет для людей із паралічем або порушеннями роботи ніг. Маса – 20 кг. Підходить для людини зі зростом 157-193 см. Швидкість руху – близько 3 км/год.
Костюм передбачає дії рахунок датчиків нахилу, наприклад, допомагає встати з інвалідного крісла, коли користувач подається вперед і спирається на милиці.
ReWalk
Біонічний екзокостюм для пацієнтів із паралічем ніг. Він допомагає стояти, ходити, йти вгору сходами. Управління ведеться через пульт у руці.
Військові екзоскелети
Міністерства оборони та військово-дослідні інститути різних країн ще з минулого століття намагаються розробити легку, просту та міцну систему для солдатів.
У Пентагоні цим займається агентство перспективних розробок DARPA, у Росії – інститути та інженерні бюро, що діють на замовлення Міноборони. Подібні проекти ведуться у Китаї, Японії, Ізраїлі, європейських країнах.
XOS 2
Один із найвідоміших екзоскелетів для армії. Його завдання – збільшення фізичних здібностей солдата. Броня у спорядження не ввімкнена.
Костюм допомагає в логістиці та штурмах. Він додає сил, достатніх для перенесення великих тягарів, руйнування дерев'яних брусів та цегляних стін.
Talos
Це комплексний костюм. У нього є функції броні та системи, що збільшує силу. Він допомагає вести бій із спорядженням до 45 кг. Костюм відстежує життєві показники і навіть зупиняє кровотечу.
Склад та конкретні характеристики обладнання зазвичай не публікуються – Talos показують на тематичних виставках із загальною презентацією.
ExoHiker
Цей скелет не позиціонується як армійський, але цікавий для військових. Його завдання – полегшити перенесення важких наплічників під час походу. ExoHiker важить 14 кг, але знімає навантаження 70 кг. На одному заряді без підключення сонячної батареї проходить 65 км зі швидкістю близько 4 км/год.
Промислові екзоскелети
H-Lex
Апарат для підйому ваг від Hyundai. Він підходить для маломобільних людей, але незручний через великі габарити. Тому основний наголос зроблено працювати у промисловості. Там де доводиться піднімати до 60 кг.
Chairless Chair
Цей екзостул для тих, хто працює на ногах. Він знімає напругу в м'язах, коли потрібно довго перебувати в напівприсіді, сидіти навпочіпки або стояти. Зручно для роботи в цеху, на пакувальній лінії, кухні, перукарні. Апарат гнучкий та рухливий.
Exosuit
Розробка для водолазів, яка допомагає витримати тиск води та низьку температуру на глибині 300 метрів. По суті це посилений водолазний костюм вагою в 240 кг з чотирма двигунами.
MS-02 PowerLoader
Роботизований костюм для багатьох завдань. Розробники пропонують використовувати його у рятувальних операціях, де потрібно піднімати об'єкти масою до 100 кг.
У системі є кілька маніпуляторів, а підошви «ніг» розташовані датчики. Вони аналізують навантаження на людину у шести векторах та розраховують, скільки машинних зусиль потрібно докласти для допомоги.
MAX SuitX
Екзоскелет для вантажників. Конструкція дублює опорно-руховий апарат, забираючи з нього частину навантаження. Вона постійно висить на людині в деактивованому стані, але автоматично розпізнає момент початку роботи та вмикається.
Assist Suit AWN-03
Силовий екзоскелет від Panasonic для складських робітників. Він закріплюється на плечах, стегнах та попереку. Основне завдання – прибирати навантаження з хребта та м'язів спини під час перенесення тяжкості.
Російські екзоскелети
ЕкзоАтлет
Російська розробка для реабілітації пацієнтів із проблемами ніг та спинного мозку. Один з пілотів та посольств ЕкзоАтлета – параолімпійський чемпіон з керлінгу на візках Віталій Данилов.
Промисловий екзокостюм від розробників із Пермі. За розрахунками, він збільшує продуктивність праці в машинобудівній, будівельній та аварійно-рятувальній роботах у 2-5 разів.
ExoBelt
Пасивний екзоскелет від компанії "ЕкзоАтлант". Проект поки що на стадії розробки. Передбачається, що він зніме до 40% навантаження зі спини під час перенесення тяжкості.
Першим партнером компанії стане "Сбербанк". Екзоскелет тестуватимуть співробітники, які переносять мішки із золотом та іншими цінностями
Екзоскелети майбутнього
Промисловість зростає: апарати зменшуються у розмірах, функції стають ширшими. З'являються моделі не тільки для медицини, промисловості чи армії:
ARAIG
Екзоскелет-контролер для геймерів. Він створений задля перенесення вантажів чи підвищення здібностей. Цей костюм занурює користувача в ігрову реальність: змінює температуру, імітує попадання снарядів, контакт із землею та перешкодами.
Костюм розроблений Північноатлантичним Космічним Агентством для космонавтів. Він необхідний роботи з великими вагами за умов невагомості.
У апарата чотири приводи на колінах і стегнах і шість зчленувань. Розробники планують додати ще. Костюм підходить для роботи на МКС та підтримки м'язового тонусу у невагомості – він надсилає дані про космонавтів медикам на Землю.
Де купити екзоскелет і скільки він коштує
Ціна матеріалів роблять екзоскелети дорогими. Наприклад, російська ЕкзоАтлеткоштує більше 1 млн. рублів. Костюми іноземного виробництва на порядок дорожчі. Наприклад, REX P - 9,5 млн рублів.
Поступово з'являються виробники з нижчими цінами. Так, Cyberdyne випускає HAL для рук, ніг та всього тулуба, які можна купити від $4 200.
Ціну на апарати краще дізнаватися на сайтах виробників, але для загальної інформації підійдуть і ці ресурси:
- TIU
