외골격의 작동 원리

"Iron Man" 만화책과 영화의 팬이라면 가상의 기업가 Tony Stark가 악당들과 싸울 때 입는 동력이 공급되고 비행이 가능한 갑옷에 매료되었을 것입니다. 그런 사람이 주변에 있다면 얼마나 좋을까요?

머지 않아 약간 덜 놀라운 버전의 Iron Man 수트가 미군 병사들이 전장에서 더 빨리 달리고, 더 무거운 무기를 들고, 장애물을 뛰어 넘을 수 있게 해준다는 사실을 알고 놀랄 수도 있습니다. 그리고 동시에 총알과 폭탄의 영향으로부터 그들을 보호합니다. 군대는 1960년대부터 인체와 그 능력을 향상시키기 위해 설계된 기술인 동력 외골격의 개념을 연구해 왔습니다. 그러나 최근 전자공학과 재료과학의 발전은 마침내 이 아이디어를 실용적으로 보이게 만들고 있습니다.

2010년에 방산업체인 Raytheon은 사용자의 노력 없이도 도움을 받지 않은 사람보다 2~3배 더 많은 무게를 들어 올릴 수 있는 실험적인 XOS 2(인간의 두뇌로 안내되는 웨어러블 로봇)를 시연했습니다. 또 다른 회사인 Trek Aerospace는 제트팩이 내장된 외골격 프레임인 Springtail Exoskeleton Flying Vehicle을 개발 중입니다. 이 비행체는 최대 시속 70마일(시속 112.6km)로 비행할 수 있고 지상 수천 피트에서 움직이지 않고 호버링할 수 있습니다. , 뿐만 아니라 [출처: Hanlon ].

그러나 군대 이외의 다른 사람들은 출현으로 이익을 얻을 수 있습니다. 언젠가는 척추 부상이나 근육 소모성 질환이 있는 사람들이 자신의 근육과 신경을 할 수 있게 해주는 전신 장치(기본적으로 웨어러블 로봇) 덕분에 완전한 장애인처럼 쉽게 돌아다닐 수 있습니다. 캔트. Argo Medical Technologies의 $150,000 ReWalk 장치와 같은 구동 외골격의 초기 버전은 이미 시장에 나와 있습니다[출처: Argo Medical Technologies , Ugwu ].

미래 세대의 동력 외골격은 전장과 평시 존재 모두에 어떻게 혁명을 일으키게 될까요? 그리고 연구원과 디자이너가 일상적인 사용에 진정으로 실용적인 동력 외골격을 만들기 위해 극복해야 하는 기술적 장애물은 무엇입니까?

먼저 개념이 어디에서 왔으며 어떻게 발전해 왔는지 살펴보겠습니다.

내용물

1. 인간 증강의 역사
2. 모핑맨과 머신
3. 개발 과제

전사들은 고대부터 몸에 갑옷을 입었지만 기계적인 근육을 가진 몸에 대한 아이디어는 1868년 Edward Sylvester Ellis가 진기한 소설 "The Steam Man of the Prairies"를 출판했을 때 공상과학 소설에 등장했습니다. 이 책은 발명가인 천재적인 조니 브레이너드(Johnny Brainerd)를 견인한 거대한 인간형 증기 기관을 시속 60마일(시속 96.5km)의 속도로 카트 뒤에 끌고 가는 동안 버팔로를 쫓고 인디언을 공포에 몰아넣는 모습을 묘사했습니다. [출처: Landon ].

Marvel Comics가 가상의 Iron Man을 제작하기 2년 전인 1961년까지, Pentagon은 실제로 실제 착용 가능한 로봇에 대한 제안을 초대했습니다. AP 통신 기사는 "서보 군인"을 개발하기 위한 탐구에 대해 보고했으며, 이를 "파워 스티어링과 파워 브레이크가 장착된 인간 탱크"로 묘사했는데, 이 탱크는 더 빨리 재미있고 무거운 물체를 들어 올릴 수 있으며 면역성이 있습니다. 세균전, 독가스, 심지어 핵폭발로 인한 열과 방사선 [출처: Cormier]. 1960년대 중반까지 코넬 대학의 엔지니어인 Neil Mizen은 "수퍼맨 슈트" 또는 "남자 증폭기"라고 불리는 35파운드(15.8kg)의 웨어러블 프레임 외골격을 개발했습니다. 각 손으로 1,000파운드(453.6kg)를 들어 올리십시오. 한편, General Electric은 18피트(5.5미터) 높이의 장치인 "pedipulator"에 대한 계획을 개발했으며 이 장치는 통신수를 내부에서 이동할 수 있습니다[출처: Cloud ].

이러한 개념은 비현실적인 것으로 판명되었지만 연구는 계속되었습니다. 1980년대에 Los Alamos 국립 연구소의 과학자들은 미 육군 보병이 사용할 전신 동력 외골격인 Pitman 슈트라는 디자인을 만들었습니다. 그러나 그것은 드로잉 보드에 머물렀다. 1990년대에 Aberdeen Proving Ground의 미 육군 연구소는 실제로 Iron Man의 것과 유사한 수트를 만드는 것을 연구했지만 그 프로젝트는 어느 곳에서도 이루어지지 않았습니다[출처: Guizzo ].

수년 동안 외골격 제조업체는 기술의 한계로 인해 어려움을 겪었습니다. 컴퓨터는 옷이 착용자의 명령이나 움직임에 반응하도록 하는 데 필요한 처리를 수행하기에는 너무 느리고 보잘 것 없습니다. 충분히 휴대할 수 있는 에너지 공급 장치가 없었고, 외골격을 움직이는 전기 기계 근육인 액추에이터는 너무 약하고 부피가 커서 인체처럼 작동하지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 기계화된 장갑 슈퍼 솔져 라는 아이디어는 육군 장성들에게 여전히 매력적이었고 과학자와 설계자들은 계속해서 가능성을 모색했습니다[출처: Guizzo ].

다음 섹션에서 우리는 그들이 이러한 문제를 해결하고 실용적인 동력 외골격을 개발하는 과정을 살펴볼 것입니다.

2000년대, 실제 아이언맨 슈트에 대한 탐구가 마침내 어딘가에 도달하기 시작했습니다.

국방부의 이국적인 첨단 기술 인큐베이터인 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 작업 속도를 높이기 위해 7,500만 달러 프로그램인 Exoskeletons for Human Performance Augmentation에 대한 자금을 마련했습니다. DARPA의 파워 아머드 슈트 위시리스트는 꽤 야심찬 것이었다. 그것은 군인이 며칠 동안 수백 파운드의 장비를 지칠 줄 모르고 짊어지고, 일반적으로 두 명의 대원이 필요한 대형 중화기를 다루며, 다른 부상당한 병사들을 태울 수 있는 기계를 원했다. 들판을 뒤로 하고. 그것은 또한 기계가 총격에 취약하지 않고 정말 높이 뛸 수 있기를 원했습니다. 일부 연구자들은 이 아이디어를 불가능하다고 일축했지만, 다른 연구자들은 기꺼이 크게 생각했습니다[출처: Mone ].

이전 프로젝트에 80톤의 기계화 공룡을 포함했던 로봇 제조업체 스티브 제이콥슨이 이끄는 Sarcos라는 회사는 센서가 인간 사용자의 근육 수축을 감지하고 이를 사용하여 일련의 작업을 수행하는 혁신적인 시스템을 고안했습니다. 밸브는 차례로 조인트로의 고압 유압 유체의 흐름을 조절합니다. 그런 다음 이러한 기계적 관절은 케이블이 연결된 실린더를 움직여 인간의 근육을 연결하는 힘줄을 시뮬레이션합니다. 그 결과 XOS라는 실험용 프로토타입이 탄생했습니다. 이 프로토타입은 공상과학 영화에 나오는 인간-곤충 잡종처럼 보였습니다. 2005년이 되자 XOS는 군대의 비전에 가장 가까운 장치로 떠올랐고 프로젝트는 개발 단계로 넘어갔다. Sarcos는 결국 Raytheon에 인수되어 작업을 계속했습니다[출처: Mone ].

한편 버클리 바이오닉스(Berkeley Bionics)와 같은 다른 복장은 의족이 필요로 하는 에너지의 양을 줄이기 위해 노력하여 동력 외골격이 현장에서 실용적으로 충분히 오래 기능할 수 있도록 했습니다. 2000년대 중반 디자인인 Human Load Carrier는 재충전 없이 20시간 동안 작동할 수 있는 것으로 보고되었습니다[출처: Mone ].

2000년대 말에 Cyberdyne이라는 일본 회사가 훨씬 더 독창적인 개념인 Robot Suit HAL을 개발했습니다. HAL은 사지를 움직이기 위해 작업자의 근육 수축에 의존하는 대신 작업자의 두뇌에서 보내는 전기 메시지를 포착하는 센서를 통합했습니다. 이론적으로 HAL-5 개념에 기반한 외골격은 사용자가 근육을 움직이지 않고 생각만 하면 원하는 모든 것을 할 수 있게 해줍니다[출처: Cyberdyne ].

다음 섹션에서는 구동 외골격의 현재 기술 상태와 이 기술이 곧 어디로 갈지 살펴보겠습니다.

2010년까지 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)의 외골격 프로젝트는 몇 가지 유망한 기술을 생산했습니다. Network World는 무게가 약 55파운드(25kg)인 현재 시스템을 사용하면 작업자가 거의 또는 전혀 노력을 들이지 않고 극적으로 피로도를 줄여 200파운드(91kg)의 무게를 운반할 수 있다고 보고합니다. 또한 최신 외골격은 일반적인 사무용 프린터보다 더 조용하고 시속 10마일(시속 16킬로미터)의 속도로 작동할 수 있으며 들어올리기 외에도 쪼그리고 앉고 기어 다닐 수 있습니다 [출처: Heary]. Raytheon은 2010년에 "Iron Man" 영화 프랜차이즈의 배우 중 한 명인 Clark Gregg가 2세대 외골격 가라테 나무로 내레이션을 하는 모습이 담긴 비디오를 공개하여 전망에 대해 확신을 갖고 팔굽혀펴기를 하고 팔굽혀펴기를 했습니다. 들어올린 무게 [출처: Weinberger ].

한편, 동료 방산업체인 록히드 마틴(Lockheed Martin)은 하체 외골격의 로봇 다리를 통해 무거운 하중에서 지면으로 무게를 전달할 수 있는 능력을 갖춘 중량물 운반용으로 설계된 라이벌 외골격을 연구하고 있습니다. 회사는 외골격이 최소한의 인간 노력으로도 깊은 스쿼트, 크롤링 및 상체 들어올리기를 수행할 수 있다고 말합니다[출처: Lockheed Martin ].

이러한 외골격 기계에는 센서와 GPS(Global Positioning System) 수신기도 장착됩니다. 군인은 이 기술을 사용하여 횡단하는 지형과 특정 위치로 이동하는 방법에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. DARPA는 또한 심장과 호흡수를 모니터링하기 위해 외골격과 함께 사용할 수 있는 컴퓨터화된 직물을 개발하고 있습니다.

미군이 길을 간다면 더 높이 뛰고 더 빨리 달릴 수 있고 이 외골격을 묶음으로써 엄청난 무게를 들 수 있는 슈퍼 군인 무리를 갖게 될 것입니다. 그럼에도 불구하고 실제 Iron Man이 전장에 나가기까지는 적어도 몇 년이 걸릴 수 있습니다.

한편, 동력 외골격은 또한 평화시에도 큰 이점을 제공할 수 있습니다. 결국 이 기술은 척추 부상이나 신경 근육 질환을 앓고 있는 사람들이 보다 충만한 삶을 영위할 수 있게 해주기 때문입니다. 예를 들어 버클리 바이오닉스(Berkeley Bionics)는 장애인이 걸을 수 있고, 도움 없이 앉은 자세에서 일어날 수 있으며, 장시간 서 있을 수 있도록 설계된 충전식 배터리로 구동되는 외골격인 eLegs를 테스트하고 있습니다. : 버클리 바이오닉스 ].

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