Eksoskeletid
Sissejuhatus
Eksoskelett on biooniline seadeldis, mida saab kanda seljas või üksikute kehaosade peal, moodustades raamistiku, mis kaitseb või toetab inimese liikumist. Eksoskeletid leiavad kasutust mitmesugustes funktsioonides, peamiselt sõjanduses, tööstuses ja meditsiinis.
Eksoskelettide suunal tehakse ka palju arendus- ja teadustööd ning sellega seoses asutatud ka firmasid ja start-up'e, et tuua eksoskelette aina rohkem kasutusse igapäevaelus. Hetkel on maalimas tegutsemas üle saja eksoskelettide arendaja, kellest ligi pooled asuvad Euroopas. Lisaks on palju firmasid asutatud ka Põhja-Ameerikas ja Aasias. (viide https://exoskeletonreport.com/2021/12/updated-directory-of-exoskeleton-companies-and-industry-statistics/)
Peamiseks takistuseks eksoskelettide laiemale kasutamisele on nende kõrge hind, mis võib kerkida üle 100 000 euro. Seda probleemi üritatakse lahendada suurendades inimeste teadlikkust sellistest toodetest ja ühes sellega suurendades tootmist ning kasutades uudseid tehnoloogiaid nagu 3D-printimine, et hinda allapoole tuua.
Kasutusalad
Sõjaline
Militaarse eesmärgiga inimvõimekust suurendava aparatuuri ajalugu on mitmesugune ja pikk. Mis muud on kivist või puust vormitud oda, metallist kirves, tiibrakett või hävitaja kui inimvõimekust parandav tehnoloogia? Targad filosoofid (A.Gehlen) on arutlenud lähtudes tehnoloogia ja inimese suhtest. Antropoloogia viitab sellele, et inimloomale pole antud spetsialiseeritud organeid või instinkte – ei ole ta kõige kiirem, ei hüppa kõige kõrgemale, kuule ega tunne lõhna väga hästi võrreldes teiste loomadega, puudub kaitsev turvis või oskus lennata. Seetõttu on inimene sõltuvuses võimest (intelligentsist) muuta keskkonda endale sobivaks ehk luua tehnoloogiat. Tehnoloogia on vahend inimese nõrkuste parendamiseks e. nõrkade organite asendamiseks läbi:
- tugevdamise (kivi + muskel annab tugevama löögi),
- asendustegevuse (lendamine, tuletegemine ei ole meie loomuses) või
- hõlbustustegevuse (motoriseeritud transport aitab meil kiiremini liikuda ja raadiosaatja kaugemalt suhelda) näol.
Sellest järeldub, et tehnoloogia on kui inimese peegel, tehnoloogia on nii vana kui inimene ise (tehnoloogia defineerib inimeseks olemist). (1)
Juba keskajal kasutati kiivreid ja turvist, hilisemad iteratsioonid soomustranspordiga ja motoriseeritud sõjaväe lahendustega on vaid suurendanud inimese võimekust enda füüsist sõjaväljal efektiivsemaks muuta. Seetõttu võib vaadelda eksoskelete kui järgmise sammuna inimorganite asendamisel-tugevdamisel.
Miks? Milleks on sõjaväelasel vaja eksoskeletti?
Nii nagu teistelgi tegevusaladel, siis militaarsfääris on eksoskeleti roll aidata selle kandjat suurendades nende tugevust ja vastupidavust. Sõjaväljal on tihtipeale vaja kanda raskeid objekte (relvi, moona, kaaslaseid) ning töötada ohtlikus keskkonnas. Võimekus relvi, soomust ja lahinguvarustust kaasas kanda on tähtis. Mida paremini on varustatud sõdur seda suurem on võimalus, et sõdur on efektiivne. Eksoskelet võimaldab parandada liikumise ergonoomikat seeläbi vähendada füüsiliste vigastuste ohtu raskete raskuste tõstmisel, raske maastiku läbimisel või korduvate liigutuste tegemisel. Lisaks sellele on võimalik aidata vigastatud sõdureid vähendades vigastuste mõju nende võitlusvõimele.
Millised on eksoskeleti tehnoloogia probleemid militaarsfääris?
Mitmeid probleeme on vaja lahendada- üks suurimatest on eksoskelettide vajadus energiale. Raketiteadusest teada tuntud valem: mida suurem on objekti mass seda suurem on selle massi liigutamiseks vajalik energiavajadus. Ja mida suuremad on energiakandjad (näiteks akud) seda suurem on mass, mida on vaja liigutada. Lisaks massile rakenduvad logistilised raskused- kus leida sõjatandril eksoskeletile laadimise võimekus. Sisepõlemismootorid suudavad mõningad nendest probleemidest lahendada, aga tekivad juurde teised – mootorite stabiilsus, energiatõhusus, sisepõlemisel tekkinud kuumus, vibratsioon, müra ja kulu. Eksoskelet peab olema mugav ja vastupidav, agiilne. Kiiresti parandatav! Elu ja surma eest võideldes ei ole võimalik kompromisse teha ning kahjuks neid kõiki nõudeid on raske koos ühte komplekti saada. Seetõttu pole ka eksoskeletid sõjatandril laialt veel kasutusel. (2)
Kuidas algas militaarsete eksoskeletide lugu?
Esimesed katsetused sõjalisel eesmärgil kasutatava eksoskeleti loomisel algasid eelmise sajandi keskel. 1965. aastal alustas General Electric Ameerika Ühendriikide sõjaväe palvel uuringuid Hardimani loomiseks. Hardiman pidi olema inimkehaga integreeritud mobiilne hüdraulika ja elektri jõul töötav ülikond. Sõjavägi soovis, et masinaga saaks liigutada rasket tehnikat ja seetõttu eesmärgiks seati, et eksoskelet peaks võimaldama selle kandjal jõudu 25 korda suurendada.
Kuigi Hardimani arendamisel tehti mitmeid läbimurdeid, siis eksoskelet ise prototüübi etapist edasi ei jõudnud. Hardiman oli väga raske (680kg), sellel puudus stabiilsus, oli aeglane (maksimaalne liikumiskiirus 0,76 m/s) ning ebausaldusväärne reageerima sisenditele. Lisaks esinesid Hardimanil toiteallika probleemid. Kuna testimise käigus tekkisid „masina vägivaldsed ja kontrollimatud liikumised“ siis inimkatsetusteni ei jõutud. (3)
1986. aastal hakati arendama LIFESUIT eksoskeleti. LIFESUITI autoriks oli Monty Reed - sõjaväelane, kes oli vigastanud oma selga langevarjuõnnetuses. Sattudes haiglasse ja mõtiskeledes elu üle, ta luges läbi Robert Heinleini Starship Troopers raamatu. Seal kirjeldati mobiilseid eksoskeletone. Inspiratsiooni tõukel valmis 2001. aastal prototüüp LIFESUIT One (LS1). Mõned iteratsioonid edasi - 2005. aastal osales LS12 3. miili jooksus, mille läbis 90 minutiga. (4)
Milline on tänapäevane militaarne eksoskelet?
Militaarse tarbega eksoskeletid jagunevad funktsiooni alusel kategooriatesse:
- Kogu keha eksoskeletid. Eksoskeletid, mis toetavad kogu keha - nii jalgu ja käsi. Nende tootmine on siiamaani olnud problemaatiline ning kasutus pea olematu. On erinevaid prototüüpe.
- Alamkeha eksoskeletid. Eksoskeletid, mis toetavad jalgu eesmärgiga vähendada kandja pingutust ning suurendada liikuvust.
- Passiivsed eksoskeletid. Pasiivsetel eksoskeletidel pole täitureid, akusid ega elektroonikat.
On kuulujutte, et erinevate maade sõjaväed tegelevad aktiivselt uute eksoskeleti lahenduste välja töötamisega. Kahjuks on väga mitmed projektid avalikuse eest varjatud, välja saab tuua vaid mõningad.
USA kaitsetööstus (DARPA) algatas eksoskelettide projekti 2001. aastal programmi Exoskeletons for Human Performance Augmentation kaudu. Agentuur rahastas esialgu viieaastase programmi raames erinevaid osapooli 50 miljoni dollariga. Neist valiti välja kaks parimat eksoskeleti prototüüpi: Human Universal Load Carrier (HULC) ja XOS (Exoskeleton Robot Sarcos).
HULC on eksoskelet, mis on välja töötatud Lockheed Martini poolt eelmise kümnendi alguses. Süsteemi eesmärk on vähendada sõdurite lihasluukonna vigastusi, mis tekivad raske lahingvarusutuse kandmisel. HULC parandab sõdurite kandevõimet kandes koormuse läbi eksoskeleti titaaniumist jalanõude. HULC kasutavab mikrokontrollereid, et aidata eksoskeleti liikumisi kontrollida. HULC eksoskelett kaalub 53kg. Liitiumakude abil suudab HULC eksoskelet võitlejal läbida (küll lamedal maastikul ja 4km/h) kuni 20 km. Maksimaalne kiirus on 16 km/h. Maksimaalne kandevõime: 91 kg. (5)
XOS ehk maakeeli „Raudmehe rüü“ on robotülikond (eksoskelett), mida arendab Raytheon. XOS teise generatsiooni rüü kasutab hüdraulikat ja seeläbi võimaldab kasutajal tõsta raskeid objekte suhtega 17:1 (reaalne raskus vs tajutav raskus). XOS2 kaalub 95 kg. XOS2 on tark raudrüü- see kasutab erinevaid mikrokontrollereid, sensoreid ja täitureid, et aidata võitlejal efektiivselt lahinguväljal liikuda. (6)
Pasiivsetest ja alamkeha eksoskeletidest võib mainida:
- Lockheed Martin’s OTA for the Onyx
- DARPA Warrior Knee Exosuit
- Marine Moju, Terra Mojo
Meditsiiniline
Meditsiinilises kasutuses olevad eksoskeletid on mõeldud aitama inimesi, kes mõne vigastuse või haiguse tõttu vajavad abi liikumisel. Tegemist võib olla õnnetuse käigus saadud seljaaju vigastusega, mis on muutnud ala- või ülakeha liikumisvõimetuks. Samuti võivad näiteks insuldi tagajärjel tekkida närvi- ja lihaskahjustused, mille tõttu inimene kaotab kõndimisvõime või käte funktsionaalsuse. Meditsiiniliste eksoskelettide eesmärk on parandada nende patsientide elukvaliteeti, et nad saaksid sellest hoolimata elada täisväärtuslikku elu.
Lisaks on meditsiiniliste eksoskelettide sihtgrupiks järjest vananev rahvastik. Hinnanguliselt eakate ehk 65-aastaste ja vanemate osakaal 2050 aastaks enam kui kahekordistub (9). Selleks, et vanemaealised saaksid elada iseseisvalt täisväärtuslikku elu kõrge vanuseni, vajavad nad sageli abi liikumisel. Eksoskeleti abiga saavad vaimselt terved ja aktiivse eluviisiga eakad jätkata oma igapäevaseid tegevusi nagu poeskäimine, aiapidamine või kodutööde tegemine ilma vaevusteta, mida võib põhjustada lihaste nõrgenemine vanas eas. (16, 17)
Liigitus
Meditsiinilisi eksoskelette saab liigitada mitut erinevat moodi. (7)
Toestatava kehapiirkonna järgi:
- alakeha eksoskeletid
- ülakeha eksoskeletid
Ravi tüübi järgi:
- rehabilitatsiooniks
- liikumise abistamiseks
Kaasaskantavuse järgi:
- statsionaarsed
- mobiilsed
Mootorite olemasolu järgi
- elektrilised (mootoriga)
- passiivsed (mootorita)
Alakeha eksoskeletid
Alakeha eksoskeletid on mõeldud inimest abistama kõndimisel. Neid on näiteks vaja halvatud patsientidel, kes ise pole enam võimelised oma jalgu liigutama. Ratastoolis ringi liiklemine võib olla ebamugav ja sobiva infrastruktuuri puudumisel ei pruugi teatud kohtadesse üldse ligi pääseda. Eksoskelett aitab neil inimestel teha igapäevaseid toiminguid täiesti iseseisvalt.
Eksoskelett kinnitatakse patsiendi külge mitmete rihmadega. Skeleti küljes on pehmendused, mis teevad selle kandmise võimalikult mugavaks ja aitavad vältida hõõrumist (8). Mõnel juhul on lisaks jalaosadele skeletil veel lisatoestus, mida patsient kannab nagu seljakotti (9). Osade mudelite puhul on lisaks kasutusel kargud, mis aitavad saavutada ettekallutavat kehapositsiooni, mida eksoskelett tajub kui signaali edasi liikumiseks (10).
Meditsiinilised eksoskeletid on tavaliselt varustatud mootoritega ja liikumise juhtimine võib olla kahte erinevat tüüpi. Esimene variant on selline, kus arvutile õpetatakse selgeks teatud käimismuster kasutades tervete inimeste andmeid. Selline variant sobib eelkõige halvatud patsientide eksoskelettidele. Teine variant on kasutusel näiteks insuldist taastuvate inimeste puhul, kes peavad uuesti käima õppima. Sellel juhul aitab eksoskelett kõndimisele kaasa just nii palju nagu vaja. Selle näol on tegemist intelligentse süsteemiga, mis suudab mõõta patsiendi progressi ja toetab kõndimist täpselt sellisel määral, et raskusaste oleks paras. Süsteem vähendab järk-järgult oma võimsust vastavalt sellele kuidas inimene tugevamaks saab, et tal oleks lõpuks võimalik kõndida masinast sõltumatult. (7)(8)
Ülakeha eksoskeletid
Patsientide puhul, kellel on näiteks õnnetuse või haiguse tagajärjel kadunud või vähenenud võime kasutada oma käsi, tulevad appi ülakeha eksoskeletid. Käte anatoomilise keerukuse tõttu on selliste eksokelettide disain tõeline väljakutse. Õlaliiges on keha üks keerulisemaid ja liikuvamaid liigeseid (12) ning sõrmede peenmotoorika hõlmab samuti paljude liigeste ja lihaste koordinatsiooni, seega sellise eksoskeleti ehitamine, mis suudaks simuleerida nende funktsiooni, on raske ülesanne.
Kuna näiteks sõrmedega haaramine on paljude igapäevategevuste osa, siis on välja töötatud mitmeid lahendusi nende inimeste aitamiseks, kellel mõnel põhjusel on see funktsioon häiritud. Enamik ülakeha eksoskelette on sarnaselt alakeha omadele keha ümber/seljas kantav raam, kuhu on integreeritud liikumist abistavad mootorid ja arvuti nende kontrollimiseks. (11)
Selline lahendus võib olla aga küllaltki raske kaasas kanda, seega on ülakeha eksoskelettide puhul otsitud ka kergemaid lahendusi. Näiteks on välja töötatud 3D-prinditud eksoskelett labakäe kontrollimiseks, mis kasutab aju elektrisignaale (EEG-d), et edastada teavet mehhanismile, mis laseb patsiendil kätt liigutada vastavalt tema soovidele. 3D-prinditud variandi eeliseks teiste ees on ka suhteliselt odav hind, mis teeb selle kättesaadavamaks rohkematele inimestele. (14)
Samuti on halvatud või nõrgenenud ülajäseme lihaste funktsiooni taastamiseks välja arendatud terve käsivarre eksoskelett, mis lubab samuti ainult mõtte jõul oma kätt liigutada. Antud seade suudab naha pinnalt tuvastada aju poolt lihastesse saadetud närvisignaale. Kasutaja kontrollib oma kätt täielikult ise, eksoskelett lihtsalt võimendab närvisignaali ja aitab mootorite abil kätt liigutada soovitud suunas. (13)
Viited
- https://www.scribd.com/document/377966612/Gehlen-Man-in-the-Age-of-Technology-pdf
- http://www.popsci.com/scitech/article/2008-04/building-real-iron-man?page=4
- https://www.ge.com/news/reports/do-you-even-lift-bro-hardiman-and-the-human-machine-interface
- http://theyshallwalk.org/
- https://www.army-technology.com/projects/human-universal-load-carrier-hulc/
- https://www.army-technology.com/projects/raytheon-xos-2-exoskeleton-us/
- https://exoskeletonreport.com/2016/06/medical-exoskeletons/
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214031X15000716
- https://eksobionics.com/spinal-cord-injury/
- https://rewalk.com/rewalk-personal-3/
- https://www.mdpi.com/2218-6581/9/1/16/pdf
- https://teachmeanatomy.info/upper-limb/joints/shoulder/
- https://myomo.com/what-is-a-myopro-orthosis/
- https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2021.661569/full
- https://www.un.org/en/development/desa/population/publications/pdf/ageing/WorldPopulationAgeing2019-Highlights.pdf
- https://www.sciencedaily.com/releases/2015/10/151014085414.htm
- http://www.aal-europe.eu/project-of-the-month-axo-suit/
