22.4.2018 | Svátek má Evženie


VĚDA: Exoskelety ve válce i v míru

2.4.2018

Zařízení vyvíjená pro potřeby vojáků, kteří se pohybují v náročném terénu, pomáhají na nohy nemocným

Vysoko v horách, kde mrazivý vichr bere dech od úst a nohy se boří po kolena do sněhu; nebo v zeleném přítmí džungle, kde se člověku staví do cesty neprostupná zeď vegetace, bahno a povalené kmeny stromů. Tam všude musí projít voják s kompletní výstrojí, zbraněmi, proviantem a municí. Americké námořnictvo proto požaduje, aby důstojníci pozemních jednotek urazili při výcviku patnáctikilometrovou trasu se sedmdesátikilovou zátěží v čase pod tři hodiny. V bojových podmínkách čeká na vojáky nejednou i podstatně náročnější zápřah. V Afghánistánu se někdy museli američtí příslušníci ozbrojených sil popasovat s nástrahami horského terénu s nákladem kolem 90 kilogramů.

Sci-fi oživlá ve válečných konfliktech

Hardiman

Hardiman

Pěšáci to nikdy neměli lehké. Starořečtí těžkooděnci hoplíti bojující v proslulých falangách nesli výstroj a výzbroj v celkové hmotnosti asi dvacet kilo. Na tom se po dlouhá staletí mnoho nezměnilo. V první světové válce už vláčeli pěšáci kolem 30 kilogramů a v druhé světové válce jejich náklad narostl na 50 kilogramů. Nároky na vojáky se dál stupňují a ti se dostávají na hranice svých fyzických možností. Na pomoc jim přichází technika.

V dohledné době by se mohli vojáci pohybovat v těžko přístupném terénu pomocí exoskeletů, které se podobají pohyblivým dlahám a jsou poháněné malými motorky. Tento robotický posilovač aktivně kopíruje pohyb končetin a snímá ze svalů část jejich práce. Vize jako vypadlé ze scénářů akčních filmů o superhrdinech s nadlidskými schopnostmi se však nerealizují snadno. Už v šedesátých letech minulého století vyvíjela společnost General Electric pro americkou armádu „železný oblek“, který pomocí servomotorů zvyšoval sílu člověka pětadvacetkrát. Zařízení nesoucí název Hardiman však trpělo tak vysokou poruchovostí, že firma nikdy nesebrala odvahu k testům na dobrovolnících.

Plně funkční exoskelet, zajišťující člověku nadlidskou sílu a vytrvalost, není k dispozici ani s odstupem více než půl století po krachu projektu Hardiman. Americká společnost Lockheed Martin dlouho pracovala na zařízení, jež by usnadnilo vojákům mnohahodinové pochody s batohem o hmotnosti 90 kilogramů. V roce 2012 byla donucena vývoj ukončit. Zařízení označované jako HULC (human universal load carrier) nutilo člověka při chůzi k nepřirozeným pohybům a neúnosně přetěžovalo některé svaly na nohou.

HULC

HULC

Vědci se proto rozhodli změnit od základu celou koncepci exoskeletů. Zavrhli těžkopádná kovová monstra a vsadili na jejich „měkkou“ obdobu. Nové exoskelety se vyrábějí z běžných textilií a nebrání přirozenému pohybu. Vzhledem připomínají elastické kalhoty doplněné o sedací úvazek používaný horolezci k jištění lanem. Čidla snímají pohyb svalů na nohou a přenášejí je do motorizovaného opasku. Ten pak uvádí do pohybu kalhoty a pomáhá člověku při každém pohybu. Měření naznačují, že by „měkký“ exoskelet mohl ušetřit chodci až čtvrtinu vynakládané energie. Ve srovnání s desetiprocentním úsporou dosavadních pevných exoskeletů to představuje nevídaný pokrok.

Pevné exoskelety přesto nekončí ve starém železe. Čínská armáda na ně vsází dál. Nedávno pro ni státní firma Norinco vyvinula už druhou generaci vojenského exoskeletu. Jeho parametry nebyly zveřejněny, ale údajně výrazně předčí exoskelet první generace, jenž dovoloval urazit vojákovi 20 kilometrů rychlostí 4,5 km/hod a přitom mu citelně ulehčoval nesení těžkého nákladu. Druhá generace čínského exoskeletu je údajně lehčí. To přináší výraznou úsporu energie. Norinco rovněž navýšilo kapacitu akumulátorů a významně prodloužilo akceschopnost celého zařízení.

Na pomoc ochrnutým

Podobně jako řada jiných výrobků určených původně pro armádu nacházejí i exoskelety použití v civilním sektoru. Naděje k nim upírají například ochrnutí lidé. Do obecnějšího povědomí se dostaly exoskelety díky brazilskému paraplegikovi, který v roce 2014 zahájil slavnostním výkopem světový šampionát ve fotbale. Devětadvacetiletý Juliano Pinto je ochrnutý na spodní polovinu těla, ale v exoskeletu vyvinutém Miguelem Nicolelisem na americké Dukeově univerzitě dokázal kopnout do fotbalového míče. Muž ovládal svůj exoskelet povely, které z jeho mozku snímaly elektrody připevněné k hlavě.

Juliano Pinto

Juliano Pinto

Experimentální exoskelet pro Juliana Pinta byl těžkopádný a ke každodennímu používání by se nehodil. Technický pokrok však i tady přináší rychlé zlepšení. Servomotory, čidla a gyroskopy jsou stále menší a v neposlední řadě i lehčí, takže dovolují konstrukci uživatelsky přátelštějších exoskeletů.

Claire Lomas

Claire Lomas

Německá firma ReWalk Robotics vyvinula ve spolupráci s vědci z Harvardovy univerzity exoskelet umožňující chůzi lidem s ochrnutýma nohama. K uvedení „robotických nohou“ do chodu stačí, aby se člověk v exoskeletu mírně naklonil dopředu. Gyroskopy tento pohyb zaznamenají a robotické nohy udělají krok. Opakovanými náklony lze dosáhnout plynulé chůze. S nejnovějším exoskeletem ReWalk Personal 6.0 tak lze kráčet rychlostí až 2,5 km/hod.

Ochrnutá britská válečná veteránka Claire Lomasová zvládla díky tomuto zařízení trasu londýnského maratonu. V roce 2012 v něm absolvovala poslední úsek olympijské štafety a zapálila oheň na londýnských paralympijských hrách.

Zatímco ochrnutí lidé potřebují pevné exoskelety, které jim dovolí stát nebo sedět, lidem s menšími handicapy mohou významně ulehčit život i podstatně jednodušší „měkké“ samohybné pomůcky. Vědci doufají, že tak doslova „postaví na nohy“ pacienty po mozkové mrtvici. Chůze pomáhá těmto lidem v návratu do běžného života a zároveň je chrání před dalšími zdravotními komplikacemi. Pokud zůstanou pacienti odsouzeni k sezení nebo ležení, rychle jim řídnou kosti, narušuje se jim regulace krevního tlaku a pronásledují je potíže s trávením.

0,8 m/s pro návrat do společnosti

Exoskelety s měkkými materiály na povrchu vyvíjené původně pro potřeby armády se po úpravách osvědčují i při experimentální rehabilitaci lidí, kteří se po mozkové mrtvici učí znovu chodit. S podporou exoskeletu jsou jejich kroky mnohem přirozenější. Končetiny jsou adekvátně zatěžovány a také funkce mozkových center řídících chůzi se zvolna zlepšují.

Exoskelet přináší i důležité zrychlení tempa chůze. Lidé, kteří nedokážou po delší dobu kráčet rychlostí nad 0,4 metru za sekundu, zůstávají obvykle odkázáni na pobyt mezi čtyřmi stěnami domova. Pokud člověk zvýší rychlost chůze k 0,8 metru za sekundu, má šanci, že si alespoň občas vyjde ven. Překonání rychlostní mety 0,8 metru za sekundu je klíčem k návratu do společnosti.

Ve vývoji jsou i složitější exoskelety, určené pacientům s těžšími postiženími, jaké vyvolávají například roztroušená skleróza, mozková obrna, amyotrofická laterální skleróza či Parkinsonova choroba. Další exoskelety by měly chránit seniory před pádem. Pokud by senzory zaznamenaly, že člověk ztrácí rovnováhu, exoskelet by mu včas posunul nohy do takové polohy, aby zakolísání vyrovnal. Další týmy vyvíjejí pro seniory jakousi „robotickou ponožku“, která při chůzi pomůže s odrazem chodidla od podložky. Lidé by díky tomu urazili větší vzdálenost, aniž by se příliš unavili.

Zatím až příliš drahé

ReWalk Robotics

ReWalk Robotics

Na uvedení exoskeletů na trh se zdravotními pomůckami pro seniory si ještě nějaký ten rok počkáme, protože je nutné dořešit řadu technických problémů. Prototypy stále váží kolem tří desítek kilogramů a jsou příliš těžké. Experti se shodují, že hmotnost těchto exoskeletů musí projít podobnou proměnou, jakou prodělaly za posledních patnáct roků laptopy.

Také pro většinu paraplegiků zůstávají exoskelety nedostupným snem. Poslední verze exoskeletu firmy ReWalk Robotics stojí kolem 80 000 dolarů. To by se však mělo měnit k lepšímu. Americká firma SuitX už avizovala exoskelet Phoenix za cenu 40 000 dolarů. Nová zařízení nebudou jen levnější, ale i uživatelsky přívětivější. Zatímco exoskelet ReWalk Personal 6.0 váží 23 kilogramů, hmotnost konkurenčního Phoenixu se podařilo konstruktérům stlačit na 12 kilogramů a paraplegik si ho zvládne připnout sám bez cizí pomoci. I to představuje významný příspěvek k posílení nezávislosti paraplegika na druhých.

O perspektivě celého odvětví exoskeletů svědčí fakt, že se do vývoje těchto zařízení zapojily i firmy, jejichž jména máme spojená s jinými průmyslovými odvětvími. Jihokorejský Samsung vyvíjí exoskelet pro potřeby paraplegiků. Zkušenosti z tohoto vývoje následně zúročí při konstrukci exoskeletu pro armádu. Se stejným programem přichází i jihokorejská automobilka Hyundai. Pozadu nezůstávají ani jejich japonští konkurenti. Exoskelet pro paraplegiky vyvíjí Honda a Toyota již ohlásila, že uvede na trh exoskelet určený k rehabilitaci pacientů trpících problémy s chůzí.

SuitX Phoenix

SuitX Phoenix

Autor, biolog, je profesorem České zemědělské univerzity

LN, 24.3.2018



Akční letáky
Akční letáky

Prohlédněte si akční letáky všech obchodů hezky na jednom místě!

Diskuse


J. Lepka
10:13
2.4.2018

počet příspěvků: 1, poslední 2.4.2018 10:13









 Neviditelný pes
Toto je DENÍK: do sítě jde obvykle nejpozději do 8.00 hod. aktuálního dne. Pokud zaspím, opiji se, zešílím nebo se zastřelím, patřičně na to upozorním - neboť jen v takovém případě vyjde Pes jindy, eventuálně nikdy.
Šéfredaktor Ondřej Neff (nickname Aston), příspěvky laskavě posílejte na adresu redakce Jiřímu Wagnerovi, redaktorovi NP (nickname JAG). Rubriku Zvířetník vede Lika.