Egzoskeleti su stigli

Zahvaljujući tehnološkim pomacima i pojeftinjenju proizvodnih procesa tokom poslednjih nekoliko godina, sve više high-tech kompanija u svoju ponudu uvrštava neki oblik elektromehaničkih egzoskeleta

Naučnici koji se bave robotikom i kibernetikom su termin „egzoskelet” pozajmili od kolega biologa. Zglavkari su poznati po tome što nemaju unutrašnji kostur kao ljudi i brojne druge životinje, već se noseći strukturni element njihovog tela nalazi na spoljašnjosti u vidu ljušture ili oklopa. Takva struktura se naziva spoljašnjim kosturom ili, grčki, egzoskelet (grč. egzo – spoljašnji, skelet – kostur). Ljudi su tokom istorije ratovanja otkrili koliko su korisne različite vrste oklopa, tako da je sa osvitom prve industrijske revolucije bilo samo pitanje vremena kada će se neko setiti da napravi motorizovani oklop koji će korisniku, sem povećane bezbednosti, ponuditi i dodatnu snagu. Zaista, prvi značajni (i operativni) modeli motorizovanih egzoskeleta pojavili su se krajem devetnaestog i početkom dvadesetog veka i funkcionisali su prvo na ljudski, zatim na parni pogon. Ipak, ti uređaji su bili delo naučnika sa mnogo entuzijazma i predstavljali su prototipe sa diskutabilnom upotrebnom vrednošću. Da bi nastalo prvo mehanizovano odelo bili su potrebni i modernija industrijska mašinerija i da se u priču uključe oružane snage.

Razvoj

Sredinom šezdesetih godina prošlog veka kompanija General Electric je po nalogu američke armije razvila prvi praktični motorizovani egzoskelet nazvan Hardiman, čija je primarna namena bila da omogući korisniku da podigne oko 680 kilograma. Finalna verzija je, sa jedne strane, sadržala neka od osnovnih inženjerskih rešenja koja se i danas koriste u modernim egzoskeletima. Sem toga, iako su motorizovana borbena odela već predstavljena javnosti u delima naučne fantastike (roman „Starship Troopers” Roberta A. Hajnlajna objavljen je 1959. godine), Hardiman je postao odskočna daska za maštu novih autora i popularizaciju ovog koncepta. Nažalost, projekat nije bio potpuno uspešan zbog nekontrolisanih pokreta koji su predstavljali opasnost po korisnika. Ipak, stečena su brojna praktična saznanja od neprocenjive vrednosti. Vođa projekta, inženjer Ralf Mošer, došao je do zaključka da mašina sa toliko mnogo snage mora da sadrži sistem za praćenje prirodnih pokreta čoveka, kao i sisteme povratne sprege koji bi radili u skladu sa ručno unetim komandama jer uređaj nije praktičan ako korisnik troši svu svoju pažnju na upravljanje tako velikim brojem zglobova ovakve mašine.

U priči o egzoskeletima bitno poglavlje ispisao je profesor Miomir Vukobratović, jedan od koosnivača „beogradske škole robotike”. Krajem šezdesetih godina prošlog veka prof. Vukobratović je sa timom na Institutu „Mihajlo Pupin” radio na razvoju robotskih sistema za dvonožno hodanje i aktivnih egzoskeleta čiji je primarni cilj rehabilitacija paraplegičara. Početkom sedamdesetih godina, u saradnji sa Klinikom za ortopediju u Beogradu, napravljeno je nekoliko ovakvih medicinskih egzoskeleta na pneumatski pogon. Čim neki egzoskelet koristi neki oblik motora on se naziva aktivnim, dok takozvani pasivni modeli rade bez dodatne energije, koristeći opruge ili čisto dodaju korisniku spoljašnje nosače i zglobove koji povećavaju nosivost ili smanjuju stres zglobova pod naporom. Naravno, kada se radi o medicinskim egzoskeletima koji omogućavaju povređenim osobama da ponovo hodaju, uvek se radi o aktivnim modelima.

Brojni entuzijasti su tokom decenija, inspirisani naučnom fantastikom i ličnim iskustvima, pokretali razvoj motorizovanih egzoskeleta. Jedan od svetlih primera je Monti Rid koji, od sredine osamdesetih godina pa do današnjih dana, radi na poboljšanju i razvoju projekta LIFESUIT. Pre desetak godina, naučnici u službi američkih oružanih snaga usmerili su svoju pažnju ka razvoju lakih i otpornih materijala za primenu u egzoskeletima. U isto vreme, DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) pokreće projekat za finansiranje razvoja egzoskeleta sa potencijalno vojnom primenom. Do 2014. godine razvijeno je više prototipa, među kojima je bio Hondin model koji je pokretao četvorotaktni motor sa unutrašnjim sagorevanjem, ali najbitniji napredak je zapravo širenje koncepta takozvanog „mekog egzo-odela”.

Meko egzo-odelo je elegantni način za eliminaciju najvećih kočnica razvoja ove vrste uređaja – njihove težine (i snage neophodne za njihovo naknadno pokretanje). Naime, ako se prilikom dizajna egzoskeleta iz jednačine eliminiše ideja da egzoskelet mora da bude potpuni oklop, kao i nekadašnja tehnološka neophodnost da konstrukcija mora da bude najvećim delom od metala, dobijaju se manji, lakši uređaji, koji troše manje energije, omogućavaju veću autonomiju, a pružaju korisnicima bitno unapređenje sposobnosti. Drugim rečima, nije neophodno odmah napraviti aktivni egzoskelet koji podseća na P-5000 Power Loader iz „Aliensa” ili neki od oklopa u kojima leti Iron Man, nego je dovoljno pasivnim odelom malo pojačati zglobove i mišiće koji su pod najvećim naporom i korisnik će efektivno biti sposoban za „nadljudske” fizičke aktivnosti.

Vojska

Dok armije većine velikih zemalja rade na nekoj varijanti sopstvenih borbenih sistema zasnovanih na egzoskeletnim konstrukcijama, za sada je najbolje dokumentovan rad timova iz SAD, Rusije i Kine. Početkom jeseni ruska armija predstavila je platformu Ratnik-3, treću generaciju sistema za modernizaciju standardne pešadijske opreme, koji je ugledao svetlost dana pre samo pet godina. Novi model unapređuje koncepte viđene u prvoj i drugoj generaciji. Na prvom mestu po značaju je prelazak sa pasivnog na aktivni egzoskelet sa elektromotorima koji se napajaju iz baterije u rancu. Dodatna snaga i stabilizacija omogućavaju, naravno, nošenje većeg tereta, ali i nove borbene mogućnosti pri korišćenju težeg naoružanja. U internim testovima vojnik sa egzo-odelom Ratnik-3 bio je u stanju da precizno pogađa mete iz mitraljeza koji je nosio samo jednom rukom. Sem puke snage egzoskeleta, deo zasluge za povećanu preciznost pripada i sistemu za unapređenu realnost. Naime, signal iz termalnog nišana na oružju se šalje na displej u viziru šlema. Ratnik-3 ima potpuno novi, futuristički šlem sa kvalitetnijim AR prikazom i boljom zaštitom cele glave. AR prikaz obuhvata i dodatne podatke koji se prikupljaju od ostalih pripadnika jedinice u neposrednoj okolini. Sem toga, napredni segmentisani oklop prekriva veći deo tela, a zahvaljujući modernim materijalima i podršci koju egzoskelet pruža, nema smanjenja mobilnosti vojnika. Dok pojedine jedinice već danas koriste Ratnik-3, ovaj sistem bi, po današnjim planovima, trebalo da postane standardna oprema ruske armije do 2025. godine.

Kina je predstavila drugu generaciju egzoskeleta iz kompanije Norinco, čija primarna namena je da omogući korisniku da na duge staze nosi veliki teret. U pitanju je aktivno egzo-odelo sa pneumatskim i hidrauličkim motorima. Zahvaljujući jačoj i lakšoj bateriji, nova verzija omogućava korisniku da sa teretom od pedeset kilograma na leđima prevali više od 20 kilometara za manje od četiri sata. Sem toga, radi se i na razvoju civilnih modela koji bi olakšali posao radnicima na brodogradilištima.

Američke kompanije su, tradicionalno, najglasnije u prezentaciji svojih projekata, pa je tako i sa egzoskeletima. Pre desetak godina, rani projekti kao što su HULC (Human Universal Load Carrier) iz kompanija Ekso Bionics i Lockheed Martin ili XOS i XOS 2 iz Sarcosa i Raytheona nisu uspeli da izađu iz stadijuma prototipa jer su trošili previše energije i nije bilo moguće razviti autonomni sistem koji radi na baterije. Tokom poslednjih nekoliko godina, otkako je napuštena ideja teškog oklopa, brojne kompanije predstavile su kako aktivne tako i pasivne sisteme podrške za neki deo tela. Rasterećivanje glavnih zglobova ne mora da bude samo u službi povećavanja borbene sposobnosti pojedinca, nego može i da dugoročno čuva njihovo zdravlje. Tako na primer, dugotrajne vibracije celog tela mogu da imaju negativne efekte ne samo na kosti i ligamente, nego i na respiratorni, kardiovaskularni i probavni sistem, pa čak i na oči i nervni sistem. Pasivno egzo-odelo koje smanjuje vibracije, kao što je Marine Mojo iz firme 20 Knots Plus, trebalo bi da otkloni problem vibracione bolesti kod pripadnika mornarice i obalske straže koji provode duge periode službe na malim, brzim plovilima.

Najbitniji modeli koji se već testiraju u jedinicama američkih oružanih snaga razvijaju se u kompanijama koje gledaju obe strane medalje primene egzoskeleta, i vojnu i civilnu, a to su pomenuti Ekso Bionics i Lockheed Martin. Ekso Bionics je firma koju su pre jedanaest godina osnovali stručnjaci iz odeljenja za robotiku Univerziteta Berkli. Oni neprestano rade na usavršavanju sistem Warrior Web u okviru DARPA projekta za stvaranje egzoskeleta koji troši manje od 100 vati i čija težina ne prelazi 20 kilograma. Warrior Web najveći deo podrške pruža donjem delu tela i pokreće ga integrisani kompjuter koji detektuje pokrete tela korisnika. Civilna varijanta istog sistema je EksoGT, model namenjen rehabilitaciji pacijenata sa oštećenom funkcijom nogu, odnosno potpunom preuzimanju funkcije. Kao kod vojnih modela, motori preuzimaju funkciju mišića i aktivno pokreću zglobove. Problem kod ovih modela je upravljanje, jer pokreti koje pacijenti mogu da izvedu najčešće nisu dovoljni da ih kompjuter lako prepozna i pretvori u kretanje egzoskeleta. Ovaj problem se može rešiti tako što se na kožu postave elektrode koje detektuju minimalne kontrakcije odgovarajućih mišića i na osnovu tih signala se računa željeni pokret. Ipak, sistemi za upravljanje kod ovih modela zahtevaju potpuno nove programske algoritme od vojnih modela.

Kompanija Lockheed Martin došla je do svog vojnog modela ONYX razvojem kupljenog sistema medicinskog egzoskeleta. Kanadska kompanija B-TEMIA razvila je egzo-odelo koje olakšava kretanje osobama sa multiplom sklerozom i osteoartritisom. Lockheed je licencirao tu tehnologiju i napravio ONYX, lagani sistem koji povećava stabilizaciju i izdržljivost donjeg dela tela. Sistem je već u upotrebi u 10. planinskoj diviziji američke armije, a od početka 2019. godine će se postepeno povećavati broj jedinica koje ga koriste. Paralelno sa vojnim modelom, Lockheed razvija i sistem FORTIS, industrijski egzoskelet koji olakšava dugotrajni rad sa teškim alatkama i dostupan je kompanijama po cenama od 7000 do 25.000 dolara, zavisno od modela.

Rad i zdravlje

Dok egzoskeleti sa vojnom namenom iza sebe imaju državne institucije, egzoskeleti koji se koriste u medicinske svrhe se razvijaju na univerzitetima i u velikim zdravstvenim centrima. Događaji kao što je Cybathlon (međunarodno takmičenje slično Olimpijskim igrama za osobe koje koriste napredne proteze, aktivne egzoskelete, pa čak i interfejs između mozga), kao i njemu priključeni Cybatlon Experience, jesu bitna platforma za mlade razvojne timove čiji će patenti i dostignuća ubrzati razvoj, kvalitet i pristupačnost egzoskeleta. Sem toga, u brojnim tehnološki naprednim kompanija radi se na razvoju industrijskih modela, kako za unapređivanje sopstvenih proizvodnih procesa, tako i za prodaju.

SuitX je još jedna kompanija posvećena robotici koja je ponikla sa Univerziteta Berkli. Njihova specijalnost su upravo egzo-odela, i to modularni soft exosuit modeli koji se prilagođavaju nameni. Njihova industrijska linija obuhvata modele BackX, LegX i ShoulderX. Svaki od njih namenjen je smanjivanju stresa na jedan od delova tela koji su pod neprestanim naporom na raznim poslovima – leđa, noge (kolena) i ramena. BackX i ShoulderX koštaju po 4000 dolara, LegX 6000 je dolara, a sva tri sistema mogu da se spoje u model MAX koji predstavlja egzo-odelo za kompletno telo i pruža povećanu zaštitu pri fizičkim poslovima jer smanjuje naprezanje mišića pri radu i do 60 odsto. SuitX je razvio i medicinski egzoskelet PHOENIX koji omogućuje pokretnost osobama sa smanjenom funkcijom nogu. Ceo sistem je težak samo 12,2 kg i samo dva motora u kukovima obavljaju pokretanje svih zglobova. Dok brzina kretanja zavisi pre svega od fizičkog stanja korisnika, baterija omogućuje četiri sata neprestanog kretanja prosečnom brzinom od oko 1,8 km/h. Po ceni od 40.000 dolara, PHOENIX nije dovoljno pristupačan za veliki broj korisnika, ali je ipak jeftiniji od većine sličnih egzoskeleta čija cena još uvek premašuje 100.000 dolara (pomenuti EksoGT iz Ekso Bionicsa košta oko 160.000 dolara). Najpopularnije industrijsko rešenje iz Ekso Bionicsa je EksoVest, koji za manje od 6000 dolara pruža dodatnu stabilizaciju i snagu za kičmu, ramena i laktove. Ovaj „prsluk” je težak samo 4,3 kg i ima podesivu podršku za podizanje tereta od 2,2 do 6,8 kg po ruci. Dok ove vrednosti ne deluju posebno velike, takva podrška je zapravo od velike koristi za radnike koji veliki broj sati provode podižući ruke, alat i komponente iznad nivoa ramena, kao što je slučaj u auto-industriji. Ovog leta, kompanija Ford je nabavila više desetina primeraka sistema EksoVest kako bi testirala njihovu efikasnost u petnaest fabrika širom sveta. Po statistikama ove kompanije, ubedljivo najučestaliji tip povreda na radu su povrede ramena zbog dugotrajnog napora. Alatke i delovi koje radnici podižu iznad glave pri radu nisu teški, ali svaki zaposleni koji radi na donjoj strani automobila u proseku podiže teret iznad glave do 5000 puta u toku smene, što na duge staze dovodi do zamora, oštećenja i povreda. Sem što pruža zaštitu, EksoVest čini rad prijatnijim pa ne iznenađuje podatak da je svaki zaposleni koji je probao ovaj egzoskelet želeo da nastavi da ga koristi prilikom rada.

Veliko ime na polju civilnih egzoskeleta je japanska kompanija čiji osnivači su na veoma specifičan način pokazali da su veliki ljubitelji naučne fantastike. Tako je firma nazvana Cyberdine (kao kompanija iz „Terminatora”), dok je njihov sistem egzoskeleta nazvan HAL, što je istovremeno skraćenica od Hybrid Assistive Limb, ali i omaž knjizi i filmu „2001: A Space Odyssey”. Razvoj ovog sistema traje od početka devedesetih godina prošlog veka, kada je profesor Jošinuki Sankai sa Univerziteta u Cukubi radio na mapiranju neurona koji upravljaju mišićima nogu i na osnovu čijih signala bi se obavljalo pokretanje robotskog pomagala za kretanje. Prvi prototip predstavljen je 1997. godine, ali odelo nije imalo autonomiju – računar koji je upravljao sistemom nije bio ugrađen u sam uređaj, kao ni baterija teška 22 kilograma koja je napajala motore. Sem toga, korisnik nije mogao sam da obuče odelo, nego su morale da mu pomažu još bar dve osobe. Potpuna autonomija postignuta je 2005. godine, i nedugo zatim japanske bolnice započele su sa primenom egzoskeleta za celo telo, nazvanih HAL 5, prilikom rehabilitacije pacijenata. Do 2012. godine više od 300 uređaja HAL 5 je bilo u upotrebi u oko 130 medicinskih centara u Japanu, a sam sistem je dovoljno usavršen da bude težak samo 10 kilograma, u koje su uključeni i kompjuter i baterije. Zanimljivo je i to da Cyberdine ne prodaje svoje medicinske egzoskelete, već ih iznajmljuje zdravstvenim institucijama za 2000-10.000 dolara mesečno. Od nedavno ova kompanija je proširila svoju paletu egzo-odela na veći broj manjih sistema koji pomažu pojedinačni zglob ili specifičnu grupu zglobova i koji će uskoro biti dostupni u prodaji.

Kompanija LG je takođe nedavno predstavila sopstvenu varijantu egzoskeleta koja je zamišljena kao deo robotizovane platforme CLOi. LG CLOi SuitBot je namenjen radnicima u fabrikama i skladištima koji prenose teške predmete i pruža aktivnu podršku za kičmu, kukove i noge. Futuristička vizija kompanije LG ne predviđa da ljudi u ovim odelima nose teške predmete na duge staze, već da se koriste u kombinaciji sa robotima iz linije CLOi koji bi, potpomognuti veštačkom inteligencijom, pratili korisnika egzo-odela i pomagali mu.

• • •

Impresivne mašine koje daju korisnicima supermoći i o kojima maštaju autori naučne fantastike su za sada i dalje u budućnosti zbog današnjih tehničkih ograničenja. Ipak, tokom sledećih nekoliko godina treba očekivati veliku ekspanziju „mekih” egzoskeleta i to prvo u industrijske svrhe jer su ti modeli najjeftiniji, a pružaju poslodavcima dugoročnu uštedu kroz povećanje efikasnosti radnika. Danas svaka kompanija sa Dalekog istoka ima svoje odeljenje za razvoj egzoskeleta i njihov broj u celom svetu neprestano raste. Nakon industrijskih, uslediće vojni egzoskeleti. U njihov razvoj se možda ulaže najviše, ali sama praktična primena je relativno spora jer je broj korisnika koje je potrebno opremiti ovakvim uređajima mnogo veći nego u specijalizovanim fabričkim postrojenjima. Na kraju, evolucija egzoskeleta sa medicinskom primenom biće najsporija zato što su ovi uređaji najskuplji. Srećom, kao i do sada, razvoj bilo koje od ove tri grupe egzoskeleta neprestano pomaže unapređivanje svih ostalih uređaja. Zbog toga je sve bliže trenutak (možda za deceniju, možda za pet) kada će većina ljudi na planeti svakodnevno koristiti pogodnosti egzoskeleta.

Dragan KOSOVAC