Komiksowemu czy filmowemu Iron Manowi czasami kończy się energia pancerza. Jednak najczęściej superbohater nie musi się martwić o stan naładowania baterii, bo korzysta z dobrodziejstw rewolucyjnego źródła energii – reaktora łukowego.

W przeciwieństwie do Tony’ego Starka my jednak nie mamy takiego komfortu. Zamiast reaktora łukowego przenośne zasilanie zapewniają nam ogniwa litowo-jonowe – technologia daleko bardziej prymitywna niż rozwiązanie opracowane przez filmowego milionera-inżyniera-wynalazcę-playboya. Współczesne ogniwa nie porażają pojemnością i choć w tej dziedzinie dokonuje się powolny postęp, to i tak konstruktorzy uciekają się do różnych trików, aby wycisnąć z baterii, ile się da.

Ponieważ w najbliższej przyszłości nie zapowiada się, by w ogniwach doszło do przełomu, już warto zastanowić się nad sposobami oszczędzania energii w przypadku technologii, których jeszcze nie ma na rynku. Jak w przypadku egzoszkieletów, czyli metalowych konstrukcji zakładanych na człowieka, aby wspomóc czy istotnie zwiększyć jego możliwości. Nad takim właśnie mechanizmem mającym wydłużyć czas pracy egzoszkieletu na baterii pochylił się prof. Wojciech Skarka z Politechniki Śląskiej.

Jak mówi naukowiec, są dwie podstawowe strategie radzenia sobie ze zużyciem energii przez urządzenia. Pierwsza to zmniejszenie poboru energii przez poszczególne komponenty. – Inżynierowie szukają miejsc, w których dochodzi do strat, i starają się je następnie zatkać jak dziury. To podejście może dać jedynie ograniczone efekty, bo niektóre części, jak chociażby silniki elektryczne, już dzisiaj charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością, na poziomie ponad 90 proc. Poza tym niektórych strat nie sposób uniknąć, jak tych wynikających z oporu powietrza podczas jazdy samochodem – mówi Skarka.

Ponieważ egzoszkielet to zespół silników elektrycznych, potencjalne korzyści z zastosowania powyższej strategii są niewielkie. Potrzebne jest zatem inne podejście, znane zresztą z branży motoryzacyjnej czy kolejowej – odzyskiwanie energii. W samochodach odbywa się to za pomocą systemów hamowania rekuperacyjnego, które doładowują ogniwo energią pozyskaną z procesu hamowania.

W przypadku egzoszkieletu jest to jednak trochę bardziej skomplikowane ze względu na zupełnie inny charakter ruchu, z którego miałaby być odzyskiwana energia. Do zaprojektowania takiego mechanizmu potrzebne jest zatem przestudiowanie ludzkich ruchów – na jakie fazy podzielony jest każdy krok, w którym momencie energia jest wydatkowana, a w którym istnieje możliwość jej odzyskania.

– Zanim przejdzie się do budowy takiego układu, najlepiej jest przeprowadzić serię testów za pomocą modeli komputerowych, które są pomocne w zrozumieniu możliwości odzysku energii z ruchu. Jedno jest pewne: jeśli w egzoszkieletach kiedyś mają znaleźć się takie rozwiązania, to będzie to oznaczało konieczność projektowania Iron Manów już z myślą o nich – tłumaczy prof. Skarka.

Każdy ruch kończyną można podzielić z grubsza na dwie części – fazę przyspieszania, kiedy ręka albo noga wprowadzane są w ruch, i fazę hamowania, kiedy ruch jest wygaszany. Możliwości odzyskiwania energii kryją się w tej drugiej, co inżynier ze Śląska modelował komputerowo. Do tego potrzebne jest zastosowanie odpowiednich elementów w konstrukcji, które umożliwią realizację odzysku. Efektem tych prac są dwa patenty, które zarejestrował prof. Skarka.

Prace tego typu są niezwykle ważne, ponieważ to właśnie zasilanie jest największą barierą w upowszechnieniu się tej technologii. Hydraulika, która naśladowałaby ludzkie ruchy, już istnieje, ale największym problemem jest zapewnienie mobilnego źródła energii. W praktyce duże egzoszkielety potrzebują jej tyle, że projekty dla amerykańskiego wojska sprzed kilku lat były prezentowane wewnątrz budynków lub w ich pobliżu, tak żeby egzoszkielet znajdował się blisko gniazdka. 

Dobiega końca piąta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. W Magazynie DGP opisaliśmy wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 78 nadesłanych przez uczelnie i instytuty. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi 29 czerwca, relacja z gali ukaże się w Magazynie DGP 6 lipca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.