Cosa sono gli esoscheletri e come funzionano?

Gli esoscheletri sono spesso raffigurati nei film di fantascienza e ora vengono utilizzati nella vita reale. Sono già comuni in alcuni settori, come l’edilizia e la medicina, e le loro applicazioni sono numerose.

Quindi, a cosa servono esattamente? E come funzionano gli esoscheletri? In questo articolo, esamineremo alcuni degli esoscheletri attualmente in uso.

Cosa sono gli esoscheletri?

Gli esoscheletri sono fondamentalmente macchine indossabili che forniscono capacità di aumento umano . A seconda della sua funzione, un esoscheletro può essere realizzato con materiali duri (come plastica o metallo) o materiali morbidi (come il tessuto). Inoltre, alcuni possono essere motorizzati o elettrici, altri sono semplicemente meccanici e non alimentati.

Più comunemente, un esoscheletro migliora in qualche modo le capacità di chi lo indossa. Ci sono diversi usi per gli esoscheletri, tra cui:

  • Aumento della forza e della produttività.
  • Ridurre la fatica.
  • Ridurre al minimo le lesioni.
  • Fornire supporto.
  • Funzione di ritorno (in caso di paralisi o infortunio).

Come funzionano gli esoscheletri?

A seconda del tipo e della funzione dell’esoscheletro, possono funzionare in modo molto diverso. Le due grandi categorie di esoscheletri sono esoscheletri meccanici e motorizzati, che descriveremo di seguito.

Esoscheletri passivi

Gli esoscheletri passivi non sono alimentati e funzionano principalmente meccanicamente ridistribuendo il peso da una parte all’altra del corpo. Un modo comune in cui funzionano è prendere il peso dalle braccia e dalle spalle e distribuirlo ai muscoli del core o delle gambe. In questo modo, le braccia si affaticano meno e il peso viene distribuito di più, riducendo le possibilità di sforzi e lesioni.

Esoscheletri potenziati

Gli esoscheletri elettrici, d’altra parte, possono aggiungere forza e funzionalità a chi li indossa. Tuttavia, poiché tali esoscheletri richiedono energia, sono in genere più pesanti e ingombranti per consentire l’hardware e le batterie. Hanno anche bisogno di essere ricaricate e possono avere una durata della batteria breve, il che può essere un aspetto negativo nei settori frenetici.

Tipi di esoscheletri

Ci sono vari esoscheletri già in uso. Molti di questi sono nel settore delle costruzioni e sono progettati per migliorare la produttività e la sicurezza dei lavoratori.

Guanti di potenza

Guanti di potenza come Bioservo Ironhand rilevano le azioni di un utente tramite sensori nel guanto. Quando il guanto rileva che chi lo indossa sta per afferrare un oggetto, l’Ironhand aumenta la forza di presa di chi lo indossa. La forza varia a seconda del peso rilevato dell’oggetto.

Supporto per la parte superiore del corpo

Gli esoscheletri progettati per supportare la parte superiore del corpo ridistribuiscono il peso dalle braccia e dalle spalle ad altre parti del corpo, compreso il nucleo e le gambe. Ciò riduce lo sforzo e l’affaticamento associati alle attività sopraelevate come il sollevamento, l’intonacatura, il taglio e la perforazione.

Questi in genere funzionano fornendo una struttura metallica che circonda il torace o il nucleo. Da questo, un’asta metallica (o altra tecnologia di distribuzione del peso, come pulegge o molle) si estende ai bracci, fornendo un contrappeso per il carico di lavoro.

Un esempio di questo è Airframe Exoskeleton di Levitate Technology . La cellula utilizza un sistema di pulegge per ridurre lo sforzo fino all’80% durante il tentativo di compiti sopra la testa. Le pulegge si attivano quando l’utente solleva le braccia e si rilasciano gradualmente mentre le abbassa. Un altro esempio è nel settore sanitario, dove viene utilizzato un prototipo di tuta per aiutare gli infermieri a sollevare i pazienti dentro e fuori dai letti .

Accovacciato e supporto in piedi

Quando un utente si accovaccia, un esoscheletro della parte inferiore del corpo si blocca in posizione per sostenere il peso del suo corpo in modo che le gambe e le ginocchia non debbano fare alcun lavoro. Consente inoltre ai lavoratori di sedersi e alleggerire il peso delle gambe, il che è importante per chi sta in piedi per lunghe ore.

Il legX di suitX è un esempio di esoscheletro con supporto accovacciato. Viene fornito con stivali da lavoro personalizzati e opzioni di cintura degli attrezzi e utilizza sensori per rilevare quando chi lo indossa è accucciato, in piedi o cammina, fornendo supporto se necessario.

Esoscheletri a corpo intero

Gli esoscheletri di tutto il corpo, come suggerisce il nome, forniscono supporto a tutto il corpo. Un esempio è la tutaX che allevia il peso di chi la indossa quando si piega, solleva oggetti sopra la testa, si accuccia o semplicemente sta in piedi. La tuta X utilizza molle ad aria compressa e meccanismi di assistenza.

Diversi esoscheletri sono in fase di sviluppo, fornendo movimento di ritorno a persone disabili e ferite (come quelle con ictus o lesioni spinali che hanno perso la capacità di muovere il corpo).

In effetti, esistono già alcuni esoscheletri della parte inferiore del corpo che forniscono questa funzione. In ambito sanitario, questi esoscheletri motorizzati consentono ai pazienti di portare il loro peso e camminare ancora una volta. Alcuni di questi funzionano prendendo l’attività cerebrale e traducendola in movimento (controllando l’esoscheletro con la mente).

Sfide e limiti degli esoscheletri

Ci sono diverse sfide da superare prima che gli esoscheletri diventino più utili, economici e comuni.

Fonte di potere

Un esoscheletro alimentato richiede una fonte di alimentazione. Far scorrere i cavi da un esoscheletro crea un problema di sicurezza ed efficienza, quindi le batterie sono molto più adatte. Tuttavia, le batterie richiedono la ricarica e la sostituzione frequente. Le batterie aggiungono anche un peso significativo all’esoscheletro, il che può complicarne il design e l’efficacia. Ciò significa che potremmo aver bisogno di progressi significativi nella tecnologia delle batterie per esoscheletri vitali e ad alta potenza.

La società di sviluppo di esoscheletri, Sarcos, sta lavorando al Guardian XO, che può funzionare sotto i 500 watt (molto meno della maggior parte dei concorrenti) per oltre 8 ore e le batterie vengono sostituite senza spegnere l’esoscheletro.

Materiali e peso

Un’altra sfida significativa è trovare materiali resistenti ma leggeri che l’esoscheletro non debba lavorare per sollevare il proprio peso, pur essendo anche convenienti. La fibra di carbonio e materiali simili sono in genere abbastanza resistenti e leggeri ma piuttosto costosi. L’acciaio, sebbene sufficientemente resistente, è spesso troppo pesante e riduce o rovina l’efficienza di un esoscheletro.

Flessibilità e attuazione congiunta

Infine, un esoscheletro deve muoversi con il corpo umano e fornire forza o supporto. Ciò significa che deve avere articolazioni che corrispondano alla gamma di movimento degli arti umani (e della colonna vertebrale) pur essendo abbastanza potente da svolgere il suo lavoro. Questo è più difficile di quanto sembri a prima vista!

Gli esoscheletri morbidi sono molto meglio degli esoscheletri duri in termini di flessibilità, ma forniscono molto meno supporto (finora). E ci sono diverse tecnologie utilizzate per fornire la potenza dietro le articolazioni. Un esempio interessante è il muscolo pneumatico dell’aria che funziona in modo molto simile ai muscoli umani, tranne per l’uso di aria pressurizzata.

Il futuro del lavoro

Man mano che gli esoscheletri diventano più avanzati, probabilmente li vedremo diventare molto più comuni in diversi settori. Sono già abbastanza comuni nei settori dell’edilizia, dell’automobile e dell’agricoltura, dove aiutano i lavoratori a sollevare di più più a lungo con una ridotta possibilità di sforzi e altre lesioni.

È probabile che altri settori, tra cui l’assistenza sanitaria e l’esercito, vedranno diverse applicazioni degli esoscheletri nel prossimo futuro. Ad esempio, gli esoscheletri verranno probabilmente utilizzati per ripristinare la funzionalità delle vittime di paralisi e lesioni e migliorare i soldati sul campo.