Что такое экзоскелет: Что такое экзоскелет

Для чего нужны экзоскелеты?

В последнее время экзоскелеты из области научной фантастики перешли в разряд вещей, которые могут успешно применяться в реальной жизни.

Автоматические конструкции, предназначенные для восстановления утраченных или усиления имеющихся физических возможностей человека, состоят из прочного каркаса и приводов. Такие системы дублируют работу опорно-двигательного аппарата, рассчитывают усилия и безопасность движений.

Современные экзоскелеты делятся на два типа: пассивные и активные (силовые). Первые не имеют источников питания и работают благодаря усилиям оператора. Они не забирают на себя физическую нагрузку, а распределяют ее по телу пользователя. Активные конструкции функционируют за счет дополнительных двигателей. Эти модели имеют упор на земле, за счет чего позволяют человеку поднимать больше тяжестей.

Наиболее перспективные проекты экзоскелетов появились в 80-х годах 20 века. В 90-е началось их производство в разных странах. Первые роботизированные костюмы были громоздкими, тяжелыми и неуклюжими, поэтому не находили широкого применения на практике. Однако уже к концу 1990-х-началу 2000-х годов появились действительно полезные разработки в области расширения человеческих возможностей.

В настоящее время большая часть экзоскелетов производится для медицины, армии и промышленности.

Один из самых известных медицинских экзоскелетов для поддержки и усиления ног человека – HAL (Hybrid Assistive Limb). Первый вариант этой конструкции был создан в 1997 году.

Экзоскелет HAL крепится к нижней части спины и ногам пациента. Он работает в несколько этапов: сначала человек задумывается о движении, которое хочет совершить, и его мозг посылает к мышцам необходимые нервные импульсы. Парализованный человек не может корректно их воспринимать, поэтому на помощь приходит HAL. Система считывает слабые биоэлектрические потенциалы с поверхности кожи пациента и интерпретирует движение, о котором он думает.

Некоторые модели HAL применяются не только в медицинских целях, но и в строительстве, промышленности, при проведении спасательных операций.

Тренировочный экзоскелет Ekso Bionic был разработан в 2005 году специально для парализованных людей. С его помощью пациенты, имеющие проблемы с опорно-двигательным аппаратом после перенесенного инсульта, повреждения спинного или головного мозга, заново осваивают алгоритмы ходьбы и переноса веса. Экзоскелет помогает совершать движения в разных режимах обучения (с разной скоростью), записывает каждую операцию для последующего анализа. Костюм крепится к обычной одежде, поэтому его использование не вызывает сложностей и занимает мало времени.

Экзоскелет HULC от компании Lockheed Martin применяется в военной сфере. Он увеличивает силу, скорость и выносливость солдат до непревзойденного уровня.

Гидравлическая конструкция из титанового сплава позволяет нести до 90 кг груза по пересеченной местности в течение нескольких часов без перерыва. Компьютерное управление и встроенный источник питания обеспечивают максимальную мобильность устройства. Экзоскелет переносит вес груза на землю, обеспечивая солдата силами для продолжительного и быстрого перемещения в области возможных военных действий.

Благодаря усовершенствованной композитной конструкции HULC защищает нагруженный опорно-двигательный аппарат человека от повреждений, может повысить эффективность обмена веществ, уменьшить потребление кислорода и снизить вероятность утомления.

Промышленный «антиробот» PROSTHESIS – громоздкая машина, управляемая исключительно движениями человека. Конструкцию весом около 3,5 тонн и высотой 4,2 м пилот перемещает собственными усилиями.

Интерфейсы, крепящиеся к рукам и ногам пилота, передают его движения гидравлическим «конечностям» робота. Спустя время человек, управляющий экзоскелетом, начинает ощущать его как естественную часть тела, и при увеличении нагрузки на конечности робота ему становится труднее двигаться.

Антиробот «Простесис» наглядно демонстрирует возможности экзоскелетов. В ближайшем будущем уже несложно представить себе механизированных строителей, с легкостью перемещающих огромные грузы.

Большой, управляемый человеком робот Enryu предназначен для использования в чрезвычайных ситуациях. Конструкция высотой 3,45 и шириной 2,4 м оборудована семью 6,8-мегапиксельными видеокамерами, способна поднимать объекты весом до одной тонны с помощью гидравлических манипуляторов. Enryu – один из самых эффективных роботов для проведения спасательных операций.

Российская разработка для реабилитации пациентов с проблемами ног и спинного мозга – ЭкзоАтлет. Один из пилотов ЭкзоАтлета – параолимпийский чемпион по керлингу на колясках Виталий Данилов.

Промышленный экзокостюм Стаханов от пермских разработчиков призван увеличивать производительность труда в машиностроительной и строительной отраслях, а также при проведении аварийно-спасательных работ в 2-5 раза.

Пассивный экзоскелет от компании «ЭкзоАтлант» находится на стадии разработки. Предполагается, что он снимет до 40 % нагрузки со спины человека во время переноса тяжестей.

Основная преграда для начала производства и полноценного внедрения экзоскелетов – отсутствие таких источников энергии, которые позволили бы устройствам работать автономно в течение длительного времени.

Построено множество рабочих прототипов экзоскелетов, некоторые модели (например, XOS от компании Sarcos) спроектированы очень удачно, однако из-за отсутствия аккумуляторов достаточной емкости их широкое применение невозможно.

Не менее значимыми факторами, ограничивающими использование экзоскелетов, является сложность их обслуживания.

Роботизированные конструкции должны быть эргономичными, надежными и безопасными.

Надежность функционирования экзоскелетов зависит от качества сборки, применяемых материалов и технологий. При конструировании большое внимание уделяется наиболее нагруженным узлам, в частности, регулирующим элементам.

Прямоугольные металлические пластины перемещаются в специальных пазах корпуса экзоскелета. Через сквозные отверстия они стягиваются в нужном положении шпильками.

Микроперемещения, которые неизбежно возникают между поверхностями пластин и корпуса, приводят к усиленному трению и износу деталей, возникновению скрипа при работе устройств.

Для предотвращения указанных проблем на регулировочные пластины наносят тонкий слой (не более 0.2-0.3 мм) специального твердосмазочного покрытия. Оно не выдавливается под воздействием высоких нагрузок и выдерживает многократные регулировки.

Износостойкость и длительный срок службы покрытий обусловлен свойствами твердых компонентов, входящих в их состав – чаще всего это дисульфид молибдена, ПТФЭ, графит, а также композиции из названных материалов.

Защитные покрытия отверждаются за 40 минут при нагреве. В отличие от обычных смазок, они не пачкаются и не оказывает токсичного воздействия на человека.

Фото регулировочных пластин до и после нанесения защитного состава на примере отечественного покрытия MODENGY 1014 смотрите ниже.

Рассмотрев особенности экзоскелетов, отметим, что эти технические устройства – не только инструмент для получения сверхсилы, но и последний шанс ходить для парализованный людей.

Роботизированные технологии помогают решить практически любые задачи в промышленности, строительстве и даже космосе. Однако на пути к массовому внедрению экзоскелеты должны преодолеть ряд проблем, особенно зависимость от внешних источников питания.

Специалисты рассчитывают, что в будущем эти устройства станут более доступными для обычных людей и обеспечат нам жизнь на новом технологическом уровне.

Возврат к списку

Экзоскелет | это… Что такое Экзоскелет?

У этого термина существуют и другие значения, см. Экзоскелет (значения).

Экзоскеле́т (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для увеличения силы человека за счёт внешнего каркаса.

Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в Японии и США^[1]. Экзоскелет может быть интегрирован в скафандр.

История

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и United States military в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъеме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего никогда не проверялся с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял три четверти тонны, что в два раза превышало подъемную мощность. Без получения вместе всех компонентов для работы практическое применение проекта Hardiman было ограничено.^[2]

Направления разработок

Эскиз экзоскелета Министерства обороны США.

Экзоскелет в составе концепта «Future Soldier» армии США.

Главным направлением разработок является военное применение экзоскелетов. Цель — создание брони, которая совместила в себе огневую мощь и бронирование танка, подвижность и скорость человека, и в разы увеличивающей силу того, кто использует экзоскелет.

Другой возможной областью применения экзоскелетов является помощь травмированным людям и людям с инвалидностью, пожилым людям, которые в силу своего возраста имеют проблемы с опорно-двигательным аппаратом.

Модификации экзоскелетов, а также отдельные их модели, могут оказывать значительную помощь спасателям при разборах завалов рухнувших зданий. При этом экзоскелет может защитить спасателя от падения обломков.

В наше время большой преградой для начала постройки полноценных экзоскелетов является отсутствие подходящих источников энергии, которые могли бы в течение длительного времени позволить машине работать автономно.

В 1960-е гг. компания General Electric разработала электрическую и гидравлическую конструкцию под названием Hardiman по форме напоминавший погрузчик-экзоскелет который лейтенант Эллен Рипли (В фильме «Чужие») использует в финальном бою против матки Чужих [1], однако при её весе в 1500 фунтов (680,4 кг) она была неэффективна.

Рабочие примеры экзоскелетов были построены, но широкое применение таких моделей пока невозможно. Это, например, экзоскелет XOS компании Sarcos, который был разработан на заказ армии США. По заявлениям прессы, машина удачно спроектирована, но из-за отсутствия аккумуляторов необходимого энергетического объёма демонстрацию пришлось проводить в режиме работы от сети то есть «от кабеля». (Ролик с демонстрацией есть на You Tube^[3]).

Некоторые экзоскелеты (Hybrid Assistive Limb, Honda Walking Assist Device) позиционируются как устройства для людей с проблемами опорно-двигательного аппарата^[4].

В массовой культуре

• В игре «C&C: Red alert 3» есть экзоскелеты у всех 3 сторон. У СССР это костюм оператора ПК «Тесла», у Альянса это костюм Крио(Хроно)- Легионера, а у Империи это костюмы боевых ангелов. В предыдущих частях серии экзоскелеты также применяются зачастую довольно широко.
• Впервые концепция брони с экзоскелетом была изложена в романе «Tom Swift and His Jet marine» (англ.), опубликованном в 1954 году.
• В романе И. А. Ефремова «Туманность Андромеды» (1957) звёздные экспедиции использовали для передвижения в условиях увеличенной силы тяжести электромеханические «прыгающие скелеты», надеваемые поверх скафандров.
• Герои романа Роберта Хайнлайна «Звездный десант» (1959) применяют бронированные боевые скафандры с интегрированными экзоскелетами, позволяющими бегать, прыгать на большую высоту при помощи встроенных ракетных двигателей, оснащенные разнообразным вооружением и др. оборудованием.
• В романе Станислава Лема — «Фиаско» (1987) пилот Ангус Парвис ищет пропавшую группу людей, в число которых входит один из постоянных героев Лема пилот Пиркс. Для поисков Парвис пользуется гигантским человекоподобным экзоскелетом («большеходом») — Диглатором.
• Во вселенной «Warhammer 40,000» экзоскелетами (а точнее, теоретически приравниваемыми к ним силовыми доспехами) пользуются боевые братья Космического Десанта, а также Сестры битвы. А войска Империи Тау используют целый ряд экзоскелетов. Разведывательные XV15, XV25, обладающие маскировочными полями, ударные XV8 «Кризис», оснащенные реактивними двигателями и широким спектром вооружений, экзоскелеты огневой поддержки XV88 «Броадсайд»(на самом деле в силу размеров(3 метра в высоту) и наличия кабины XV8 «Кризис» и XV88 «Броадсайд» не могут считаться экзоскелетами, хотя и имеют аналогичное XV15 и XV25 название «боевого костюма»(battlesuit)), оснащенные мощным оружием и экспериментальный командный экзоскелет XV22.
• Во вселенной StarCraft пехотинцы терранов (а также воины протоссов) одеты в экзоскелеты.
• Во вселенной игр серии «Fallout» тоже можно воспользоваться «силовой броней», для питания этой брони используется миниатюрный ядерный реактор. Она повышает класс защиты персонажа, его силу.
• В основе игр «Операция Silent Storm» и «Операция Silent Storm: Часовые» лежит альтернативная история Второй Мировой, где в ряд реально существовавшего вооружения тех лет вписаны боевые экзоскелеты «Панцеркляйны» (искаж. нем. маленькие танки), способные нести различное вооружение (авиационная пушка ШКАС, противотанковое ружье и т. д.).
• В мультсериале Эхо-взвод основным видом боевой техники являются эхолёты, являющиеся по сути экзоскелетами.
• Идея экзоскелета используется в компьютерной игре «S.T.A.L.K.E.R.», его приквеле «S.T.A.L.K.E.R.: Чистое Небо» и сиквеле «S.T.A.L.K.E.R.: Зов Припяти». Внешний каркас позволяет переносить больше вещей, дополнительная броня даёт дополнительную защиту от физических повреждений, но из-за тяжести и громоздкости конструкции быстрый бег становится невозможным. Однако, при соответствующем улучшении бег становится возможным.
• Герой комиксов Marvel «Железный человек» создаёт серию экзоскелетов на основе изобретённого им же миниатюрного реактора. Эти экзоскелеты способны летать и оснащёны разнообразным вооружением и приспособлениями.
• В фильме «Бросок кобры» (англ. G.I. Joe: The Rise of Cobra) главные герои используют экзоскелеты (идентичные тем, которые представлены в игре «Crysis»).
• В фильме «Район №9» главный герой, спасаясь от преследования, использует инопланетный экзоскелет, хотя подобное оборудование по характеру взаимодействия с оператором можно приравнять скорее к лёгкому мыслеуправляемому танку.
• В игре «Crysis» и её сиквеле, спецотряд одет в экзоскелеты (с немного другим принципом работы: присутствуют механические усилители, но вместо обычного бронежилета используется нано-технологичная броня). Они имеют повышенную прочность, способность становится невидимым, а также ряд стимулирующих добавок, которые могут увеличивать силу человека и скорость в несколько раз. Использование функционала костюма-экзоскелета — ключевой элемент игровой механики в компьютерной игре «Crysis».
• В игре «Section 8» солдаты (вне зависимости от игры за бойца 8-ого сектора или повстанца) одеты в экзоскелеты. Они имеют повышенную прочность, повышенную скорость, умение взлетать на несколько метров и умение использовать любую технику (танки, пушки, роботы).
• В компьютерной игре «Chaser», есть миссия которая полностью выполняется в экзоскелете. В игре это достаточно громоздкая и медлительная конструкция, что компенсируется тем, что она несет мощное вооружение — пулемет и гранатомет. Кроме ведения военных действий экзоскелет больше ни для чего не предназначен — обе «руки» фактически являются креплениями для орудий. Примечательно то, что действия происходят на Марсе.
• Во вселенной игры «Halo» главный персонаж Master Chief (Джон-117) был облачен в экзоскелет «Мьёльнир», который так же являлся скафандром.
• В игровой серии Bet on Soldier экзоскелет являлся одной из главных боевых единиц.
• В игре Metal Gear Solid экзоскелет использует Gray Fox.
• В фильмах «Матрица. Перезагрузка» и «Матрица. Революция» люди используют экзоскелеты APU (Armored Personnel Units) при защите Зиона.
• В фильме «Аватар» тоже используют экзоскелеты в военных целях.
• В фильме «Чужие» лейтенант Эллен Рипли в финальном бою против матки Чужих использует погрузчик-экзоскелет.
• В игре «Чужой против Хищника» войсками Земли используется боевой экзоскелет «Alice».
• В онлайн-игре Total Influence наемники используют экзоскелеты Tank Armor и FEA (Female Exo Armor).
• В игре Killzone 3 одна из миссий проходится с использованием экзоскелета, имеющего встроенное оружие и джет-пак.
• В игре Vanquish главный герой одет в экзоскелет, снабженный реактивным ускорителем и системой замедления времени.
• В фильме «Дети-шпионы. Все время в мире» главный герой использует «руки-молоты» и «топуны», используемые для увеличения физической силы.
• В книгах серии «Древний» Сергея Тармашева Содружество использует космоэкзоскелеты в качестве истребителя. (100 экзоскелетов «Титан» находятся на борту кораблей класса «Незыблемый»).
• В компьютерной игре F. E.A.R. 3, в некоторых главах присутствует возможность использовать бронеробота, который является экзоскелетом.
• В компьютерной игре Chrome все солдаты оснащены экзоскелетом.
• В компьютерной игре Red Faction: Armageddon главный герой может управлять экзоскелетом L.E.O., оснащенным тяжелым пулеметом и ракетной установкой и способным наносить удары левой «рукой».
• В компьютерной игре Mass Effect 3 используются боевые роботы Атлас, являющиеся экзоскелетом, также броня капитана Шепарда отчасти является экзоскелетом (возможности встраивать адреналиновый модуль, модуль увеличения силы и т.д.)
• В компьютерной игре Parkan и Parkan 2 экзоскелеты используются в боевых костюмах.

См. также

• Скафандр
• Доспехи
• Омар
• Боевой робот
• Список новых перспективных технологий
• Мех (бронетехника)
• Киберпанк

Примечания

1. ↑ Кибернетические штаны поднимают своего хозяина по лестнице. 5 марта 2004
2. ↑ Экзоскелет (англ.)
3. ↑ Ролик с демонстрацией экзоскелета XOS на YouTube
4. ↑ Honda создала портативный экзоскелет для пожилых. 22 апреля 2008

Ссылки

• Японский экзоскелет с защитой от радиации
• Софт@mail.ru: Американцы готовы поставить пехотные экзоскелеты на конвейер
• Статья-обзор существующих экзоскелетов
• Wearable Power Assist Suit (англ.)
• Ireland On-line: Wheelchair-bound Japanese man looks to robot suit (англ.)
• Building the Real Iron Man (англ.)
• Pentagon to Develop Super-Suits (англ.)
• inventors.about.com — Exoskeleton (англ.)
• LIFESUIT Robotic Exoskeleton (англ.)

Фильмография

• «С точки зрения науки. Сделайте меня суперменом» (англ. Naked Science. Make me Superhuman) — научно-популярный фильм, снятый National Geographicв 2010 г.

Экзоскелет, позволяющий людям работать и играть дольше

• Опубликовано

  000Z»> 8 июля 2018 г.

  Джейн Уэйкфилд

  Репортер по технологиям

  Вы бы надели экзоскелет, который означает, что вы можете бегать целый день, не уставая?

  Как насчет того, что позволит вам дольше оставаться на ногах на работе?

  Технология, дающая людям сверхчеловеческую силу, в настоящее время разрабатывается, но этические вопросы о том, следует ли нам ее разрабатывать и в каких обстоятельствах ее следует использовать, только начинают задаваться.

  Экзоскелет, как следует из названия, представляет собой внешний каркас, который можно носить для поддержки тела, чтобы помочь человеку преодолеть травму или улучшить свои биологические способности. Приводимая в действие системой электродвигателей, рама придает конечностям дополнительную подвижность, силу и выносливость.

  В лаборатории биомехатроники Массачусетского технологического института исследователи работают над экзоскелетами, которые будут гораздо лучше гармонировать с телом.

  Идеальный пианист

  Источник изображения, Getty Images

  Подпись к изображению,

  Могут ли технологии создать сверхчеловеческого пианиста?

  Аспирант Тайлер Клитес представил сценарий пианиста, у которого развился артрит.

  Обдумывая, как технологии могут помочь этому человеку восстановить свои навыки, он начал спрашивать, может ли он пойти еще дальше.

  «Почему бы не перейти от пианиста B к пианистке A++ и стать тем, кто может дотягиваться до клавиш или создавать новые типы звуковых паттернов, которые раньше не создавал ни один человек?» — спросил он Би-би-си во время визита в лабораторию

  . «Мне очень интересно, что часто мы, люди, довольны тем, где мы находимся, с некоторым исходным уровнем, который мы установили произвольно».

  Источник изображения, Группа биомехатроники

  Подпись к изображению,

  Целью лаборатории является создание экзоскелетов, которые работают в гармонии с телом

  Используя метод, который они называют нейротелесным дизайном, команда мистера Клитеса находит способы расширить человеческую нервную систему до синтетического мира и наоборот.

  В центре лаборатории находится беговая дорожка, оснащенная устройствами, измеряющими силу, которую люди прилагают при ходьбе или беге. Над ним расположены камеры захвата движения, которые точно определяют, как люди двигают суставами и мышцами.

  Данные помогают им разработать систему, помогающую людям бегать или ходить быстрее и эффективнее.

  Бежать вечно

  Источник изображения, Getty Images

  Подпись к изображению,

  Современные экзоскелеты громоздки, но их можно сделать намного компактнее, говорят исследователи позволит. Нормальный кажется чем-то вроде ругательства.

  Они называют профессора Хью Херра, управляющего лабораторией, «своим бесстрашным лидером».

  «Хью рассказал о своей мечте, которую я разделяю, — надеть экзоскелет и бегать по лесу со скоростью 20 миль в час весь день, не уставая», — сказал Клайтс Би-би-си.

  «Это было бы волнующе и красиво, и это был бы опыт, который люди в настоящее время не могут получить. »

  Тем не менее, экзоскелеты также разрабатываются «для медсестер или официантов, которые весь день на ногах».

  «Сейчас кто-то может использовать вилочный погрузчик для подъема тяжелых материалов, но если бы они могли носить экзоскелет, который позволял бы им делать то же самое, это, возможно, лучше связало бы их с задачей, которую они выполняют», — сказал Клайтс.

  Есть надежда, что нынешние большие, громоздкие экзоскелеты можно будет уменьшить до «форм-фактора кроссовок и соответствующей защиты голени» или даже поместить в «высокоэффективную одежду».

  Этические вопросы

  Профессор Ноэль Шарки, соучредитель Фонда ответственной робототехники, обеспокоен идеей технологии, позволяющей людям работать дольше.

  «Вы могли бы использовать экзоскелеты на строительных площадках, которые помогли бы людям не так сильно уставать физически, но более длительная работа утомляла бы вас умственно, и у нас нет средств, чтобы остановить это», — сказал он Би-би-си.

  «Мы разрабатываем эти системы, а затем спрашиваем, можно ли их использовать не по назначению. Нам с самого начала нужен этичный дизайн, и я бы разработал экзоскелеты, которые отключаются через шесть часов.»

  Однако мистер Клитес не хочет ограничивать технологию. «Мы не прекращаем строить автомобили, потому что некоторые люди будут водить машину пьяными», — сказал он Би-би-си.

  «Мы смотрим на технологии и думаем, что если преимущества перевешивают риск злоупотребления ими, то мы с радостью приступаем к разработке технологий.»

  Киборгские амбиции

  Источник изображения, Массачусетский технологический институт

  Подпись к изображению,

  Профессор Хью Херр считает, что мы вступаем в новую эру взаимодействия человека и машины

  Профессор Герр, самопровозглашенный «бионический человек», благодаря роботизированным ногам, разработанным его командой, после несчастного случая во время альпинизма в подростковом возрасте, в результате которого он остался с двумя ампутированными конечностями.

  Его ноги прошли множество итераций, чтобы достичь их нынешнего высокотехнологичного стандарта.

  «Когда я думаю о том, чтобы двигать ногами, нейронные сигналы от моей центральной нервной системы проходят через мои нервы и активируют мышцы оставшихся конечностей», — объяснил он в выступлении на TED ранее в этом году.

  «Искусственные электроды улавливают эти сигналы, а маленькие компьютеры в бионической конечности расшифровывают мои нервные импульсы в заданные мной движения.»

  Но добавил, что он «еще не киборг».

  Его другу, Джиму Юингу, который также потерял голень в результате несчастного случая при восхождении, восстановила поврежденную конечность команда хирургов, ученых и инженеров, собранная в Массачусетском технологическом институте под названием Team Cyborg.

  Хирурги соединили мышцы его оставшейся ноги таким образом, чтобы нервы внутри них продолжали посылать информацию в мозг, помогая его бионической ноге работать более естественно.

  Инженеры сконструировали протез, обеспечивающий двустороннюю связь, при этом сигналы передаются от его мозга к оставшейся части голени и к бионической конечности.

  Источник изображения, TED

  Подпись к изображению,

  Бионическая нога Джима Юинга позволила ему снова подняться

  Это позволило мистеру Юингу снова подняться на гору на Каймановых островах, где он упал, но это только начало пути, считает Проф.

  «Я верю, что возможности нейротелесного дизайна не ограничиваются заменой конечностей и перенесут человечество в области, которые коренным образом переопределят человеческий потенциал», — сказал он в своем выступлении на TED.

  «В 21 веке дизайнеры превратят нервную систему в чрезвычайно прочные экзоскелеты, которыми люди смогут управлять и чувствовать их своим разумом.»

  Слушайте BBC World Service Business Daily по вопросу об аугментированных людях

  Экзоскелет — определение, типы и тест

  Определение экзоскелета

  Экзоскелет — это жесткое покрытие, встречающееся на внешней стороне многих животных, особенно беспозвоночных таких как членистоногие и моллюски .

  Подобно внутреннему эндоскелету позвоночных, экзоскелет отвечает за поддержание структуры тела животного.

  Экзоскелет также обеспечивает защиту от нападения хищников и случайного повреждения мягких внутренних органов. Кроме того, благодаря водонепроницаемым свойствам скелетных тканей экзоскелет действует как барьер и защищает организмы от высыхания.

  У членистоногих мышцы прикреплены непосредственно к внутренней части экзоскелета — в отличие от эндоскелета позвоночных, где мышцы соединены со скелетом через сухожилия и связки. Это прямое соединение означает, что мышца может прикрепляться к большей площади поверхности, что обеспечивает мощное движение и силу. Кроме того, шарнирные конечности, которые соединяют твердые внешние пластины, обеспечивают широкий диапазон доступных движений.

  Хотя кости эндоскелета довольно легкие, материалы, составляющие структуру экзоскелета, относительно тяжелы. Это ограничивает размер, до которого может вырасти организм с экзоскелетом, что является одной из причин, по которой у насекомых маленькие тела.

  На изображении показаны насекомые из типа членистоногих. Каждый из них имеет форму экзоскелета.

  Типы наружного скелета

  Кутикула членистоногих

  Наружный скелет животных типа членистоногих в основном состоит из покрытия, называемого кутикула . Он образован как живыми, так и неживыми слоями. Живой слой представляет собой ряд из эпителиальных клеток , покоящихся на базальной мембране . Эти клетки выделяют неживой материал кутикулы.

  На внешней поверхности кутикулы находится тонкий восковой слой, называемый эпикутикулой . Эпикутикула образована тремя слоями; внутренний слой представляет собой кутикулин , который состоит из липопротеинов. Поверх него находится восковой слой, который удерживает воду внутри кутикулы и отталкивает воду снаружи. Этот восковой слой очень хрупок, поэтому он защищен самым внешним «цементным слоем».

  Часть кожного покрова насекомого

  Внутренняя часть прокутикулы состоит в основном из хитина , полупрозрачного волокнистого материала, состоящего из модифицированных азотсодержащих полисахаридов . Эта форма углеводов похожа на целлюлозу , обнаруженную в клеточных стенках растений.

  Прокутикула состоит из двух частей: эндокутикулы и экзокутикулы .

  Внутренняя эндокутикула представляет собой очень гибкую структуру бледного цвета, состоящую из переплетенных волокон хитина и белковых молекул.

  В экзокутикуле хитин укрепляется, чтобы добавить твердости и прочности экзоскелету в процессе склеротизации . Это включает сшивание различных белков с образованием склеротина , пигмента темного цвета, который окрашивает кутикулу различных насекомых, таких как жуки, многоножки, пауки и скорпионы.

  Хитин также иногда комбинируют с карбонатом кальция в процессе, называемом биоминерализация . У членистоногих биоминерализация чаще всего используется для упрочнения панцирей ракообразных, таких как крабы, креветки и мокрицы.

  Образующиеся затвердевшие компоненты называются склеритами . Это могут быть пластины, образующие защитную броню экзоскелета, или они могут иметь форму механических частей тела, таких как когти, ноги, суставы, радула и крылья.

  Панцирь

  Животные типа Mollusca обычно имеют экзоскелет в форме панциря; сюда входят брюхоногие улитки и трубачи, двустворчатые мидии, устрицы и моллюски, хитоны и головоногие наутилусы.

  Раковина состоит в основном из карбоната кальция и белков, называемых конхиолинами , которые секретируются эпителиальными клетками ткани моллюска, называемой мантией .

  Слои раковины обычно бывают двух типов: меловидный внешний слой и перламутровый внутренний слой.

  Самый наружный слой — periostracum — состоит из органических белков конхиолина. Средний слой — остракум ; он образован высокими, вертикально расположенными и плотно упакованными призмами карбоната кальция. Эти два слоя выделяются полосой клеток на краю мантии, так что оболочка растет от внешнего края.

  Самый внутренний слой гипостракум или перламутровый слой . Он состоит из тонких плоских пластинок арагонита, формы карбоната кальция. Шестиугольные диски горизонтально уложены в виде кирпичной стены, что придает материалу большую прочность. Этот радужный слой перламутра , обычно называемый «перламутром», выделяется непосредственно эпителиальными клетками мантии. Конхиолин присутствует в надкостнице и перламутровых слоях, помогая склеивать кристаллические призмы вместе.

  Линька

  Из-за физических свойств неживой структуры экзоскелета возможности роста ограничены. Хотя некоторые существа, такие как моллюски, способны отращивать свои раковины, добавляя материал к краям, большинство экзоскелетов должны сбрасываться в результате линьки, а затем отрастать заново; это контрастирует с живым эндоскелетом большинства позвоночных, который растет вместе с остальной частью тела.

  У членистоногих, таких как насекомые и ракообразные, процесс замены экзоскелета называется шелушение . Это происходит в три основных этапа.

  Во-первых, по мере роста членистоногого в организм выделяется стероидный гормон, называемый экдизоном ; это сигнализирует о начале процесса линьки. Затем организм становится неактивным, в то время как кутикула отделяется от нижележащих эпидермальных клеток в процессе, называемом аполизом .

  Пищеварительная жидкость затем секретируется в пространство между старой кутикулой и эпидермисом, известное как экзувиальное пространство . Эта жидкость остается неактивной до тех пор, пока эпидермис не выделит новую эпикутикулу. Важно отметить, что новая кутикула больше старой, хотя, поскольку она изначально представляет собой мягкую ткань, она может складываться и сморщиваться под старой кутикулой, пока не будет готова к использованию.

  Линька начинает переваривать мягкие внутренние слои старой кутикулы снизу; белки и минеральные соли часто реабсорбируются в организме.

  Последняя стадия верна ecdysis , при котором организм расширяет свое тело, всасывая воду или воздух, или сильно повышая кровяное давление. Это трескает поверхность старой кутикулы, и животное может выскользнуть из корпуса старого экзоскелета. Раздуваясь, только что освободившееся животное может растянуть новую кутикулу и начать процесс склеротизации или биоминерализации, чтобы затвердеть поверхность.

  Хотя у линьки есть преимущества, такие как отрастание поврежденных конечностей и способность к метаморфозам, это чрезвычайно опасный процесс. Прежде чем новый экзоскелет затвердеет (иногда это может занять несколько дней), мягкая внутренняя часть обнажается и становится чрезвычайно уязвимой для хищников. Около 85% смертей членистоногих происходит в период линьки! Из-за опасностей линяющие животные обычно ищут убежища во время процесса, пытаясь уменьшить свою уязвимость.

  На изображении стрекоза Libellula quadrimaculata , выходящая из старой кутикулы экзоскелета после шелушения.

  • Эндоскелет – Внутренняя костная структура, которая поддерживает тело многих позвоночных организмов.
  • Гидростатический скелет – Мягкая скелетная структура, встречающаяся у некоторых беспозвоночных, состоящая из заполненной жидкостью полости, называемой целомом.
  • Беспозвоночное – Организм из царства животных, не имеющий позвоночника.

  Тест

  1. Чем экзоскелеты похожи на эндоскелеты?
  A. Они оба сделаны из неживых материалов
  B. Они оба отвечают за структурную поддержку тела
  C. Они сделаны из одних и тех же тканей
  D. Они прикрепляется к мышцам таким же образом

  Ответ на вопрос № 1

  B верно. Между эндоскелетами и экзоскелетами мало функциональных сходств, кроме того, что они играют роль в структурной поддержке тела организма.

  2. Какое вещество используется для упрочнения экзоскелета посредством биоминерализации?
  A.