Перспективы разработки механических экзоскелетов

Prospects for the development of mechanical exoskeletons

Автор: Аракелян Арина Гагиковна

ФГБОУ ВО «ВлГУ», г. Владимир, Россия

e-mail: curlyhair@yandex.ru

Arakelyan Arina Gagikovna

undergraduate student VLSU, Vladimir, Russia

e-mail: curlyhair@yandex.ru 

Аннотация: механические экзоскелеты позволяют человеку восстановить или повысить работоспособность, а также выдержать значительные внешние воздействия без серьезных повреждений. Для разработки качественного экзоскелета требуется учесть особенности существующих в природе экзоскелетов и их применимость к человеческому телу. Основным недостатком естественных экзоскелетов является их слабая способность к заживлению, которую можно улучшить, применяя самозаживляющиеся материалы.    

Abstract: mechanical exoskeletons allow a person to restore or increase working capacity, as well as withstand significant external influences without serious damage. To develop a quality exoskeleton, it is necessary to take into account the features of exoskeletons existing in nature and their applicability to the human body. The main disadvantage of natural exoskeletons is their poor ability to heal, which can be improved by using self-healing materials.

Ключевые слова: экзоскелет, самозаживляющийся материал, перераспределение нагрузок.

Keywords: exoskeleton, self-healing material, redistribution of weight.

Тематическая рубрика: Технические науки и технологии.

Экзоскелет - это внешнее покрытие тела, которое наблюдается у некоторых видов беспозвоночных животных, чаще всего у членистоногих. В настоящее время были также разработаны механические экзоскелеты для поддержки человека, которые предлагают оператору аналогичный набор преимуществ. Искусственные экзоскелеты представляют собой носимые устройства, которые человек помещает на свое тело, чтобы усилить, улучшить или восстановить работоспособность. Эта структура может быть изготовлена ​​из пластиковых деталей, углеродного волокна или различных металлов.

Натуральный экзоскелет состоит из жесткого и устойчивого набора компонентов, выполняющих функциональные роли для защиты, изучения окружающей среды и поддержания формы тела животного. Большинство экзоскелетов содержат хитин, кальций и карбонат, придающие этой структуре особую прочность – экзоскелеты примерно в шесть раз прочнее и в два раза жестче, чем сухожилия позвоночных. Тем не менее, экзоскелеты обычно затрудняют движение животного. Следовательно, при проектировании и разработке механических экзоскелетов следует учесть преимущества и недостатки экзоскелетов, наблюдаемых у других видов животных. Также стоит учесть и отличия в строении человеческого тела: конструкция экзоскелетов, наблюдаемых в природе, часто имеет гибкие суставы, соединяющиеся с основными мышцами существа. Это преимущество, которое допускает широкий диапазон движений для животного, недоступно для людей в силу наличия у них эндоскелета.

Экзоскелет обычно состоит из нескольких слоев: у него имеется жесткая внешняя поверхность и гибкий внутренний слой. На самом внутреннем слое присутствует восковая поверхность, защищающая животное от обезвоживания. У большинства членистоногих есть вторичный слой, который предотвращает разрыв или повреждение первого. Кроме сохранения водного баланса, такая система обеспечивает защиту от длительных периодов жары или холода. Терморегуляция нередко присутствует и у механических экзоскелетов, тем не менее, не все материалы могут ее обеспечить.

Тем не менее, у экзоскелетов есть недостатки, наиболее важным среди которых является то, что экзоскелеты не растягиваются и не расширяются. Кроме того, экзоскелет не способен выдержать то же количество ударов, которое может выдержать внешний слой мягких тканей, поэтому критические повреждения экзоскелета у животных практически необратимы. Для компенсации этого фактора при разработке искусственных экзоскелетов перспективными считаются самозаживляющиеся полимеры, и разрабатываются технологии получения более легких, прочных и эластичных материалов.

Второй значительной проблемой разработки является затрудненное сенсорное восприятие окружающей среды. В большинстве существующих структур сложно чувствовать что-либо кроме давления или значительных ударов. Увеличение чувствительности требует усложнения конструкции и не всегда возможно, так как зачастую приводит также и к снижению защитных характеристик.

Кроме того, экзоскелеты зачастую индивидуальны. Животные меняют их много раз в течение жизни; искусственные экзоскелеты обычно требуют совпадения оператора по размеру, так как увеличение числа подвижных элементов значительно усложняет структуру, а также делает ее менее прочной. Вследствие этого производство полноценных универсальных экзоскелетов затруднено и на данный момент они существуют, в основном, в виде штучной продукции.

В наше время основным применением экзоскелета является облегчение ручного труда. Компании и работники используют экзоскелеты для повышения безопасности без ущерба для объемов производства. Экзоскелеты применяют для предотвращения проблем с опорно-двигательным аппаратом у работников. Главное преимущество применения таких экзоскелетов - возможность перераспределения веса груза с плечевого пояса на все тело. Сотрудники, использующие эту технологию, реже жалуются на боль в плечах и спине, сохраняя при этом большую физическую активность. Все больше фабрик, распределительных центров и складов используют эту технологию.

Список литературы:

1. Aaron M. Dollar, and Hugh Herr, Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses: Challenges and State-of-the-Art. // IEEE Trans. - Vol.24. - № 1. -2008.

2. Conor James Walsh, Kenneth Pasch, Hugh Herr, An autonomous, underactuated exoskeleton for load-carrying augmentation. // Proceedings of the 29th Annual Int.Con. IEEE EMBS. – 2007.

3. Seireg F., Arvikar R. J., The prediction of muscular load sharing and joint foreces in the lower extremities during walking. // Journ. Of. Biomechanics. - 1975. -V o l. 8. -№ 2. - P.89-192.