Technologie blízké budoucnosti: Robotické exoskelety, obleky a turbošortky

27.01.2022 - Jaroslav Petr

Roboti člověku pomáhají v každé druhé sci-fi. Co však před několika lety bylo jen fantazií, to se dnes stává realitou, navíc dnešní roboti představy autorů vědecko-fantastické literatury v mnohém předčí. Například v tom, že si je můžete obléct na sebe

<p>Zařízení označovaná jako exosuits představují měkkou variantu podstatně robustnějších robotů.</p>

Zařízení označovaná jako exosuits představují měkkou variantu podstatně robustnějších robotů.


Reklama

Kdo by si přál běhat v kraťasech, které váží pět kilogramů? A kdo by uvěřil, že v těchto obrněných šortkách vydrží běžet déle nebo urazí stejný úsek v kratším čase? Přesně to však umí zprostředkovat takzvaný exosuit z dílny amerických a jihokorejských vědců. Spolu s dalšími podobnými zařízeními by měl pomáhat nejen zdravým, ale i nemocným. 

Oblékněte se do robota

Roboti už dávno nejsou těžká neohrabaná monstra. Pokrok v technologiích, materiálech i softwaru dovoluje vyrábět měkké roboty schopné se přizpůsobit těm nejrůznorodějším podmínkám. Vyrábějí se dokonce i oděvní roboty (označované v odborné literatuře jako wearable robots), které se oblékají podobně jako kusy šatstva a pomáhají člověku zvládnout fyzicky namáhavé úkoly. To, co bylo donedávna doménou komiksů pochybné kvality, se mění ve skutečnost. 

Zařízení označovaná v odborné literatuře jako exosuits představují měkkou variantu podstatně robustnějších robotů, pro něž se vžil název exoskeleton. Oděvní roboty slibují pomoc pacientům po vážných úrazech a lidem s vrozenými defekty, ale také seniorům, kterým už činí pohyb vlastními silami potíže. Najdou však uplatnění i u zdravých lidí v produktivním věku, jimž může exosuit usnadnit fyzicky namáhavou práci. 

Nejnovější oblékací robot se na první pohled podobá šortkám z elastického materiálu. Od běžných běžeckých kraťasů se liší elektromotorkem s řídicí jednotkou, akumulátorem a kabely připevněnými k nohavicím. S výjimkou pohonné jednotky a akumulátoru jsou všechny jeho součásti vyrobeny z elastických materiálů. Váží sice pět kilo, ale ve srovnání s dřívějšími roboty sloužícími k podobným účelům je velmi lehký.

Další revoluční novinkou, kterou přináší, je možnost dvou různých režimů – chůze a běhu. Na vývoji těchto turbošortek pracovali američtí vědci z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvard University a z University of Nebraska v Omaze společně s kolegy ze soulské Chung-Ang University.

Jak rozběhat exosuit?

Motory pohonné jednotky nového exosuitu uvádějí do pohybu lanka připevněná k tkanině šortek. Tah kabelů pak napomáhá přirozenému pohybu kyčlí. Robot vlastně doprovází nohu v jejím obvyklém pohybu a přebírá část práce jejích svalů. Významně se tedy snižuje množství energie, kterou člověk při pohybu dolní končetiny vynakládá. Exosuity pomáhající lidem při pouhé chůzi sloužily už dříve. Byly z elastických materiálů a dovolovaly zcela hladký a přirozený pohyb. Při vývoji exosuitů, které by pomáhaly i při běhu, už ale vědci nebyli tak úspěšní.

Běh totiž vyžaduje pohyby kloubů a svalů, jež se od pohybů při chůzi dost zásadně liší. „Člověk sice nemá s přechodem z chůze k běhu a naopak nejmenší problém, ale v případě exosuitů to tak jednoduché není,“ vysvětlil v rozhovoru pro server Gizmodo biomechanik Philippe Malcolm, který řídil výzkumný tým na University of Nebraska. K tomu, aby exosuit podporoval chůzi i běh, je zapotřebí speciální systém. „My jsme pro tyto účely vyvinuli algoritmus, který detekuje, zda člověk jde, nebo běží. V závislosti na tom pak robot přepíná na příslušný silový profil, aby exosuit sloužil dokonale svým účelům,“ dodává Malcolm.

Šortky pro chůzi i běh

Prototyp prošel náročnými testy, v kterých ho prověřili zdraví dobrovolníci, a to v nejrůznějších podmínkách a režimech. Osvědčil se třeba při běhu na běžeckém pásu, ale i při běhu do vrchu. Vědci při tom měřili výdej energie a ten porovnávali s pohybem za stejných podmínek bez exosuitu. Výsledky publikované v předním vědeckém časopise Science nejsou nijak omračující, ale přesto působí přesvědčivě a ve výhledu slibují další výrazné zlepšení. 

„Zjistili jsme, že exosuit snižuje spotřebu energie při chůzi o 9 % a při běhu o 4 %,“ konstatoval Malcolm. U jiných zařízení, která pomáhají pouze při chůzi, nebo pouze při běhu, se podařilo dosáhnout výraznější úspory energie vynakládané chodcem nebo běžcem. „Ale v našem případě se i tak jedná o statisticky významné snížení. Navíc celý systém má rezervy, a lze proto očekávat další zvýšení jeho účinnosti,“ dodává. 

Technologie budoucnosti

S exosuitem se chodec či běžec cítí, jako kdyby mu v těžišti ubylo z tělesné hmotnosti 6 až 8 kilogramů. Vzhledem k tomu, že samotný exosuit váží 5 kilogramů, nejde o rozdíl nějak výrazný. Prototyp však nevyužil to nejlepší ani v použitých materiálech, ani v konstrukci jednotlivých částí. Vědci pracují na modelech exosuitu z lehkých kompozitů s výrazně miniaturizovanou pohonnou jednotkou. Ty by měly vážit jen 3 kilogramy. A ani to není konečná.

Velkou výhodou nového exosuitu je, že jeho zvládnutí neklade na uživatele nijak vysoké nároky. Vyžaduje sice určitý trénink, ale ten není nijak komplikovaný. Člověk při chůzi a běhu intuitivně využívá setrvačnosti pohybujících se částí těla, těží z pružnosti svalů i šlach. Pomocné pohyby exosuitu mohou někdy tento pasivní pohon utlumit, protože svou silou působí proti němu. Je proto důležité, aby člověk a exosuit našli společnou řeč a pracovali ve vzájemném souladu. 

Testů účinnosti se zúčastnili zdraví dobrovolníci, kteří už s exosuitem nějakou dobu trénovali. „Tito lidé potřebovali určitý čas k tomu, aby se systému přizpůsobili a naučili se těžit z jeho výhod,“ vysvětluje Phillipe Malcolm. „Nepotřebovali však pro zvládnutí exosuitu žádné speciální instrukce. Jednoduše se do zařízení oblékli a nějaký čas v něm chodili,“ doplňuje.

Od průmyslu po medicínské lůžko

Zatím máme jen rámcovou představu o tom, kde všude najdou exosuity uplatnění. Model se zabudovanou oporou zad by mohl například usnadnit přenášení těžkých břemen a snížit přitom riziko zranění. Lidem s postižením by pomáhal při rehabilitaci nebo by jim usnadňoval pohyb vlastními silami. Exosuit ale zatím neumožní chůzi ani běh ochrnutým lidem. Je to pouze jakýsi posilovač nohou. Sám o sobě není s to zajistit oporu ochrnutému tělu a uvádět do pohybu zcela bezvládné končetiny. Ukazuje se však jako skvělý pomocník lidí, kteří mají z nejrůznějších důvodů sice funkční, ale ochablé svaly. 

V létě roku 2019 začala bostonská společnost ReWalk Robotics prodávat měkký exosuitový systém určený pro rehabilitační kliniky. Při jeho výrobě využívá firma zkušenosti, které získala během spolupráce s harvardským týmem. Exosuit označovaný jako ReStore Exo-Suit byl v červnu 2019 schválen americkým Úřadem pro potraviny a léčiva jako fyzioterapeutická pomůcka pro lidi, kteří mají omezený pohyb dolních končetin v důsledku prodělané cévní mozkové příhody. ReStore Exo-Suit napomáhá pacientům s pohybem v kotnících, ale pracuje na stejném základním principu jako popisovaný chodecko-běžecký exosuit usnadňující pohyb kyčlí.

Pomoc ochrnutým lidem

Příchod exosuitů neznamená, že lidé dají sbohem exoskeletům. Ty jsou sice podstatně těžkopádnější než jejich lehké elastické alternativy, ale v některých ohledech zůstávají nenahraditelné. Jejich tuhá konstrukce, s kterou je člověk napevno spojený, skýtá tělu potřebnou oporu. Exoskelety proto dovolují pohyb i ochrnutým lidem. Experimentálně se už dokonce podařilo propojit ovladače exoskeletu s mozkem člověka.

Aktivita mozku je snímána z povrchu hlavy podobně, jako když se pořizuje záznam elektroencefalografu. Zachycené signály jsou výkonným počítačem dešifrovány a převedeny do povelů pro adekvátní akce exoskeletu. Ukázka toho, co takové exoskelety umějí, byla k vidění při slavnostním zahájení světového šampionátu v Brazílii v roce 2014. Slavnostní výkop tehdy provedl Juliano Pinto ochrnutý na dolní polovině těla. Pomohl mu k tomu experimentální exoskelet řízený myšlenkami.

TIP: Ochrnutý závodník pokořil rekord maratonu pro běžce s exoskeletem

Americká firma ReWalk vyrábí exoskelet, který usnadňuje chůzi paraplegikům odkázaným na vozík. Zařízení v ceně začínající na 70 000 dolarech (zhruba 1,5 milionu korun) umožní lidem ochrnutým na dolní polovině těla chůzi o berlích. Pacient ovládá exoskelet rukou. Podle potřeby si spouští předem naprogramovaný rytmus kroků. Chůze s exoskeletem není jednoduchá a vyžaduje trénink. Pro paraplegiky je náročná především koordinace pohybu s naprogramovanými pohyby exoskeletu a jednoduché není ani udržování rovnováhy. Chůze v exoskeletu však paraplegikům prospívá, protože vystavují svůj organismus mnohem přirozenější zátěži. Příznivě se to promítá například do stavu jejich oběhového systému.

Dokončení: Technologie blízké budoucnosti (2): Robotické exoskelety, obleky a turbošortky (vychází v neděli 30. ledna)

Ve službách státu

Není pochyb o tom, že vedle nemocnic a rehabilitačních či fyzioterapeutických center projeví o exosuity zájem také armády. Ostatně vývoj chodecko-běžeckého exosuitu na harvardském Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering podpořila částkou 2,6 milionu dolarů grantová agentura DARPA amerického ministerstva obrany.

Důvod zájmu vojáků je zřejmý. Hmotnost výbavy, kterou nosí příslušníci pěchoty při bojových akcích, neustále roste a ani pro trénovaného profesionála není snadné se s ní v náročném terénu pohybovat. Jestliže v občanské válce Severu proti Jihu nosili vojáci výstroj a výzbroj o hmotnosti kolem 30 kilogramů, pak na konci druhé světové války už musel pěšák zvládnout přesun s 38 kilogramy výbavy. Dnes váží standardní výstroj příslušníka americké námořní pěchoty kolem 50 kilogramů. Při důstojnických zkouškách musejí vojáci zvládnout v limitu přesun na vzdálenost 14,5 km s nákladem bezmála 70 kilogramů.

TIP: Břímě moderního bojovníka: Kolik váží zátěž dnešního vojáka na bojišti?

Není to nijak přemrštěný požadavek, protože během mise v Afghánistánu pochodovali pěšáci americké maríny s nákladem kolem 90 kilogramů. Při takových výkonech by i desetiprocentní úspora energie znamenala pro vojáka výraznou úlevu a významně zvýšila vyhlídky na úspěšnost náročných misí. Exosuity slibují už v blízké budoucnosti podstatně větší přínosy.

Reklama

Další články v sekci

Reklama

Reklama

Aktuální články

Ivanov byl rozhodnutý oplodnit ženy šimpanzím spermatem bez toho, že by jim prozradil, oč jde.

Zajímavosti

Kavachi je jednou z nejaktivnějších podvodních sopek Tichého oceánu.

Věda
Historie

Sugestivně tvarovaná reflexní mlhovina IC 2118 ze souhvězdí Oriona, zcela pochopitelně známější pod názvem Hlava čarodějnice, září především odraženým světlem hvězdy Rigel, kterou upřeně „sleduje“.

Vesmír

Srovnání velikostí sovětských obrněnců v památníku v pevnosti Brest. Zleva SU-100, T-44, T-34/85 a ISU-152.

Válka

Před 130 až 115 tisíci lety zase na našem území panovalo vlhké středomořské podnebí. Hladina moře v té době stoupla natolik, že se ze Skandinávie stal ostrov.

Zajímavosti

Nové časopisy Extra Publishing

RSSInzerceO serveru (Redakce)Partnerské weby
© Extra Publishing, s. r. o. 2007–2011. ISSN 1804-9907