Eksoskeletid

From ICO wiki
Revision as of 22:58, 28 April 2022 by Mari-ann.piht (talk | contribs) (Kasutusalad)

Sissejuhatus

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 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.

Viited vaja lisada: A.Gehlen – Man and Technique[Gehlen, A. (1957). Man in the age of Technology.]

Juba keskajal kasutati kiivreid ja turvist, hilisemad iteratsioonid soomustranspordiga ja motoriseeritud sõjaväe lahendustega on vaid suurendanud inimese võimekust enda füüsist sõjaväljal efektiivsemaks muuta. Eksoskeletid on järgmine samm 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.

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.

Viited vaja lisada: http://www.popsci.com/scitech/article/2008-04/building-real-iron-man?page=4

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, sellel puudus stabiilsuse ja esinesid toiteallika probleemid. Inimkatsetusteni ei jõutud.

Viited vaja lisada: https://www.ge.com/news/reports/do-you-even-lift-bro-hardiman-and-the-human-machine-interface

Milline on tänapäevane militaarne eksoskelet?

...

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. (10, 11)

Liigitus

Meditsiinilisi eksoskelette saab liigitada mitut erinevat moodi. (1)

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 (2). Mõnel juhul on lisaks jalaosadele skeletil veel lisatoestus, mida patsient kannab nagu seljakotti (3). Osade mudelite puhul on lisaks kasutusel kargud, mis aitavad saavutada ettekallutavat kehapositsiooni, mida eksoskelett tajub kui signaali edasi liikumiseks (4).

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. (2)(3)

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 (6) 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. (5)

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. (8)

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. (7)

(Viited, vaja panna alla teistega kokku)

  1. https://exoskeletonreport.com/2016/06/medical-exoskeletons/
  2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214031X15000716
  3. https://eksobionics.com/spinal-cord-injury/
  4. https://rewalk.com/rewalk-personal-3/
  5. https://www.mdpi.com/2218-6581/9/1/16/pdf
  6. https://teachmeanatomy.info/upper-limb/joints/shoulder/
  7. https://myomo.com/what-is-a-myopro-orthosis/
  8. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2021.661569/full
  9. https://www.un.org/en/development/desa/population/publications/pdf/ageing/WorldPopulationAgeing2019-Highlights.pdf
  10. https://www.sciencedaily.com/releases/2015/10/151014085414.htm
  11. http://www.aal-europe.eu/project-of-the-month-axo-suit/