Machinery Powered Human Exoskeleton (PHE): Iron Man di Dunia Nyata

​

Hampir semua gamer tentu familiar dengan kedua karakter game diatas. Keduanya berasal dari game berseri HALO dan Crysis. Namun thread ini tidak akan membahas mengenai game tersebut ataupun cara memainkannya. Kali ini akan dibahas mengenai hal yang sama dalam kedua karakter tersebut, yaitu combat armor atau pakaian tempur yang mereka kenakan.

Bagi yang sudah pernah memainkan salah satu game diatas, pasti akan menyadari bahwa karakter utama dalam game tersebut memakai pakaian tempur khusus. Bagi gamer yang meneliti lebih lanjut tentang game ini, akan menemukan bahwa pakaian tempur mereka didesain secara canggih dan ditujukan untuk membuat pemakainya menjadi lebih kuat, lebih tangguh dan lebih handal di dalam pertempuran. “Ah, itukan cuma game, ga ada hubungannya dengan dunia nyata”. Benarkah demikian?? Lets see....

Pengertian
Dalam dunia nyata, pakaian tersebut dikenal dengan Powered Human Exoskeleton (PHE) atau Exoframe. Berbeda dari human exoskeleton pada umumnya, pakaian ini tidak hanya bertujuan untuk melindungi pengguna, namun juga meningkatkan kemampuan mereka. Sebagai contoh dalam bidang militer, maka tentara yang menggunakan PHE ini diharapkan mampu mengangkat beban lebih berat, melompat lebih tinggi, serta mampu berlari lebih cepat dan lebih jauh dibandingkan tentara biasa. Sebenarnya PHE ini tidak hanya berguna di bidang militer saja, namun juga di bidang-bidang yang lain, misalnya dalam bidang kesehatan dan SAR (Search and Rescue).

Sejarah Singkat
PHE pertama kali muncul pada tahun 1868 dalam bentuk novel dengan judul “Steam Man of the Prairies” karya Edward Sylvester Ellis. PHE ini berbentuk sebuah robot besar yang kemudian dikemudikan oleh manusia. Namun, di masa sekarang, robot tersebut tidak lagi dikategorikan sebagai PHE, namun lebih ke arah Mecha, meskipun seringkali perbedaannya sangat tipis. PHE dalam dunia nyata muncul pertama kali kurang lebih 20 tahun kemudian, tepatnya pada tahun 1890. Pada tahun tersebut, kantor paten Amerika Serikat mengeluarkan sebuah paten bagi Nicholas Yagin. Yagin berhasil membuat sebuah ********** untuk berjalan, berlari, dan melompat yang menggunakan gas terkompresi sebagai sumber penggerak, meskipun gas tersebut harus diisikan secara manual. Pada 1917, Leslie C. Kelley menciptakan sebuah alat yang ia sebut Pedomotor. Alat ini merupakan sebuah artificial ligament atau ligamen buatan yang menggunakan tenaga uap sebagai bahan bakar.

PHE yang berbentuk full suit atau mencakup seluruh tubuh pengguna diciptakan pada pertengahan dekade 1960, hasil dari kerjasama antara General Electric Research, Cornell University, dan U.S. Office of Naval Research. PHE ini kemudian dinamai Hardiman (kependekan dari Human Augmentation Research and Development Investigation).

Spoiler: Hardiman

Hardiman dirancang mampu meningkatkan kemampuan penggunanya hingga 25 kali. Ini artinya, bila pengguna mengangkat beban seberat 25 kg, maka ia hanya akan merasakan beban seberat 1 kg saja. Meskipun demikian, kehebatan Hardiman tidak sebanding dengan beratnya yang mencapai 680 kg, serta responsnya yang lambat terhadap pergerakan tubuh manusia. Pada akhirnya, proyek ini dhentikan.

Pada pertengahan dekade 1980, Jeffrey Moore dari Los Alamos University menulis sebuah makalah tentang PHE yang mampu meningkatkan kemampuan tentara di medan tempur. Moore sendiri terinspirasi dari novel Starship Troopers karya Robert Heinlein, dan menamakan PHE ini Pitman, namun tidak pernah diproduksi. Masih terinspirasi dari novel yang sama, Monty Reed, seorang US Ranger yang pensiun karena patah tulang punggung, menciptakan Lifesuit pada tahun 1986.

Spoiler: Lifesuit

Lifesuit terutama ditujukan bagi para penyandang cacat yang tidak mampu untuk berjalan. Dengan Lifesuit ini, diharapkan mereka mampu kembali berjalan kembali, atau bahkan berlari dan melompat layaknya orang normal. Lifesuit membuat penggunanya mampu mengangkat beban hingga 92 kg. PHE ini masih terus dikembangkan, hingga sekarang prototipenya telah mencapai versi ke-14, dan diberi nama LS14.

Tahun 2000, Professor H. Kazerooni mulai mengembangkan Human Universal Load Carrier (HULC) bersama dengan timnya di EksoBionics. Melihat potensinya dalam bidang militer, maka pada tahun 2009 Lockheed Martin membuat perjanjian kerjasama pengembangan PHE ini. EksoBionics sendiri masih terus memproduksi beberapa PHE lain yang ditujukan bagi kepentingan sipil.

Pada tahun 2001, DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) meluncurkan program senilai total 75 juta dollar AS bernama Exoskeletons for Human Performance Augmentation (EHPA). Program ini bertujuan untuk mendapatkan PHE yang mampu “meningkatkan kemampuan pasukan darat melampaui batas kemampuan seorang manusia (increase the capabilities of ground soldiers beyond that of a human)”. Selama 7 tahun program ini berlangsung, beberapa PHE militer berhasil diciptakan, meskipun masih memiliki beberapa batasan. Batasan-batasan tersebut umumnya berkisar dari sumber energi, material penyusun yang sering kurang cocok, kemampuan respons yang masih kurang cepat, serta sensor gerakan yang sering bermasalah.

Tantangan dalam Pengembangan
Ada beberapa tantangan yang harus dihadapi dalam pengembangan PHE ini. Beberapa tantangan-tantangan tersebut antara lain:

Sumber Energi
Sumber energi bagi PHE merupakan salah satu masalah klasik yang tidak kunjung terselesaikan dengan baik. Hal ini dikarenakan teknologi yang ada belum cukup memadai untuk menyediakan energi dalam jumlah besar secara terus menerus, namun dengan ukuran sumber energi yang cukup kecil. PHE yang ada saat ini umumnya hanya mampu bertahan selama beberapa jam pengoperasian. Bagi PHE sipil yang tidak digunakan secara terus menerus, tentu hal ini tidak menjadi masalah, namun di bidang militer hal ini bisa menentukan jalannya pertempuran.

Beberapa sumber energi yang sudah diuji coba memiliki kelebihan dan kekurangan tersendiri. Contohnya baterai sekali pakai mampu menyimpan lebih banyak daya daripada baterai isi ulang, namun bila harus mengganti baterai pada saat penggunaan tentu tidak efisien. Sedangkan untuk baterai isi ulang, memiliki kecenderungan lebih cepat habis, masa pakai yang lebih pendek, serta ketersediaan tempat pengisian ulang masih menjadi masalah.

Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine) mampu menyediakan jumlah daya yang dibutuhkan, namun memiliki waktu respons yang rendah dan tidak cocok untuk penggunaan secara cepat dan mendadak yang nantinya dibutuhkan oleh PHE. Selain itu mesin ini memiliki kecenderungan untuk menjadi panas, yang tentunya membutuhkan alat tambahan untuk mendinginkannya. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) juga pernah dipertimbangkan untuk menjadi sumber energi, mengingat kelebihannya yaitu mampu menyediakan daya secara cepat, serta mudah diisi ulang menggunakan methanol. Hanya saja, masalah suhu yang tinggi masih menjadi ganjalan, karena SOFC membutuhkan suhu minimal 600[SUP]o[/SUP] Celcius untuk beroperasi.

Materi Penyusun
Materi penyusun PHE sendiri masih terus dikembangkan. Hal ini menjadi penting karena bila menggunakan besi atau baja, maka PHE akan menjadi terlalu berat dan mengurangi efisiensi, karena ia harus mengkompensasi beratnya sendiri. Namun menggunakan bahan ringan seperti alumunium juga bukan pilihan. Alumunium memiliki kecenderungan untuk rusak lebih cepat daripada baja, sehingga biaya perawatan menjadi lebih besar dan resiko cidera pengguna juga meningkat. Bahan yang dibutuhkan adalah bahan yang cukup kuat untuk menanggung beban berat, namun cukup ringan untuk dipakai oleh manusia. Sebenarnya titanium bisa digunakan, namun belakangan ini telah dikembangkan teknologi carbon nanotube, yang mampu menghasilkan material yang lebih ringan dan lebih kuat 10 kali dibandingkan titanium serta lebih tahan terhadap panas.

Kontrol Gerakan

Spoiler: Sensor Gerak

Salah satu contoh sensor gerak dan cara kerjanya pada XOS 2 Exoskeleton.

Umumnya PHE yang ada saat ini menggunakan sensor gerak berdasarkan perubahan kondisi otot. Sensor ini cukup sederhana, namun masih memiliki beberapa kekurangan. Sensor gerak yang terlalu sensitif akan menyebabkan terjadinya gerakan yang tidak terkontrol. Hal ini dikarenakan sensor tersebut akan mendeteksi perubahan kondisi otot yang bahkan tidak disengaja oleh pengguna, sehingga menyebabkan PHE bereaksi. Sementara itu, pengguna akan berusaha untuk mencegah gerakan tersebut dengan cepat, dan sensor gerak akan menyampaikannya kembali kepada komputer kontrol. Akibatnya, komputer kontrol akan memerintahkan gerakan baru secara lebih cepat, yang tidak dimaksudkan oleh pengguna. Pengguna pun akan berusaha untuk mengubah kembali gerakan tersebut. Proses ini akan berlangsung terus-menerus, kecuali PHE dimatikan oleh orang lain. Namun sensor yang kurang sensitif juga bukan pilihan, karena justru akan memperlambat respons dari PHE itu sendiri.

Penelitian dan pengembangan terbaru dalam bidang BMI (Brain to Machine Interface) atau juga sering disebut BCI (Brain to Computer Interface) telah menyediakan cara yang diharapkan bisa menyelesaikan masalah ini. Dengan cara ini, maka sensor gerakan berdasarkan perubahan kondisi otot tidak lagi digunakan. Sebagai gantinya, digunakan sensor yang akan mendeteksi sinyal syaraf dari otak pengguna ketika ia berusaha untuk menggerakkan ototnya. Sinyal syaraf ini akan dideteksi oleh sensor yang ada di PHE, untuk kemudian diteruskan ke komputer kontrol. Komputer kontrol kemudian akan menerjemahkan sinyal syaraf tersebut menjadi gerakan, lalu memerintahkan sendi pada rangka untuk bergerak. Dengan demikian, maka gerakan-gerakan yang tidak disengaja diharapkan bisa dikurangi.

Contoh-contoh PHE
Dibawah ini merupakan beberapa PHE yang telah berhasil diciptakan. Sebenarnya PHE tidak hanya terbatas pada keempat model ini saja, namun TS memang membatasi bahasan agar tidak terlalu panjang. Selain itu, keempat PHE ini merupakan PHE yang sering diliput oleh media dan telah dikenal luas oleh masyarakat.

Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)

Spoiler: Berkeley Lower Extremity Exoskeleton

Spoiler: Image

Spoiler: Video

[video=youtube_share;fRkg6H0ZP8A]http://youtu.be/fRkg6H0ZP8A[/video]

Berkeley Lower Extremity Exoskeleton merupakan PHE yang diciptakan oleh Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory. BLEEX diciptakan pada tahun 2004 dibawah program EHPA milik DARPA. Sesuai namanya, PHE ini hanya mencakup bagian bawah dari tubuh. Untuk setiap sendinya, BLEEX menggunakan penggerak hidraulik linear dua arah (bidirectional linear hydraulic actuator). PHE ini dirancang untuk mampu membawa beban berat dan dalam jangka waktu yang lama. Berdasarkan percobaan laboratorium, pengguna yang membawa beban seberat 170 pon (70 pon dari berat PHE dan 100 pon dari berat ransel) atau sekitar 77 kg, hanya merasakan bahwa ia membawa beban seberat 2.26 kg atau 5 pon. Sebagai mesin penggerak, BLEEX menggunakan Hydraulic-Electric Power Unit (HEPU) yang telah didesain secara khusus, dan mampu menyuplai daya selama beberapa jam. Mesin ini menggunakan hidrokarbon sebagai bahan bakar utama. Meskipun terlihat sangat menjanjikan, namun pada tahun 2008 kerjasama Berkeley-DARPA dalam pengembangan PHE ini tidak lagi diteruskan.

Sarcos/Raytheon XOS Exoskeleton

Spoiler: XOS Exoskeleton

Spoiler: Image

​

Spoiler: Video

[video=youtube_share;-UpxsrlLbpU]http://youtu.be/-UpxsrlLbpU[/video]

Sarcos/Raytheon XOS Exoskeleton merupakan PHE lainnya yang penelitian dan pengembangannya didanai oleh DARPA. Pada awalnya, Sarcos Research Corporation mengembangkan PHE dengan nama Wearable Energitically Autonomous Robot (WEAR) di bawah program EHPA. Berbeda dengan BLEEX, WEAR merupakan PHE yang berjenis full suit, atau mencakup seluruh tubuh pengguna. Pada tahun 2007, Raytheon Company mengakuisisi Sarcos. Program pengembangan PHE kemudian diteruskan sesudah akuisisi, dengan WEAR menjadi konsep untuk PHE selanjutnya, XOS Exoskeleton. PHE ini dikembangkan dibawah program dari Army Program Executive Office Soldiers (PEO Soldiers), sebagai kelanjutan dari program EHPA yang berakhir tahun 2008. XOS Exoskeleton diklaim mampu membuat penggunanya hanya merasakan beban seberat 0,9 kg saat ia mengangkat beban seberat 90,7 kg. Untuk penggerak di bagian sendi, XOS menggunakan sistem perputaran penggerak hidraulik (rotary hidraulic actuator). Total daya yang dibutuhkan tidak pernah dipublikasikan, namum pastinya cukup besar, karena PHE ini belum mampu membawa suplai daya secara mandiri. Hingga sekarang, XOS masih terus dikembangkan, dan telah mencapai versi kedua.

Human Universal Load Carrier (HULC)

Spoiler: Human Universal Load Carrier

Spoiler: Image

Spoiler: Video

[video=youtube_share;bVS8C8QUh1A]http://youtu.be/bVS8C8QUh1A[/video]

Human Universal Load Carrier (HULC) merupakan PHE yang awalnya dikembangkan secara mandiri oleh EksoBionics, dibawah arahan Professor H. Kazerooni, orang yang sama yang juga memimpin pengembangan BLEEX. Pada tahun 2009, Lockheed Martin berhasil membuat perjanjian eksklusif untuk mengembangkan PHE ini bagi kepentingan militer. HULC sama dengan BLEEX dalam hal desain, yang hanya mencakup bagian bawah tubuh pengguna. HULC menggunakan baterai lithium polymer, dan mampu menyuplai daya untuk perjalanan sejauh 20 km yang ditempuh dalam waktu 4 jam di daerah bergunung. Lockheed Martin juga sedang mengembangkan Protonex sebagai pengganti dari lithium polymer, yang diharapkan mampu menyuplai daya selama 72 jam. PHE ini memiliki kecepatan standar 3 mil/jam, atau sekitar 4,8 km/jam, dan dapat mencapai kecepatan 16 km/jam (10 mil/jam) saat dibutuhkan, namun dengan konsekuensi jarak tempuh akan berkurang. Beban yang dapat disokong seberat 200 pon atau sekitar 90,7 kg di kedua sisi (depan-belakang). Bagi kepentingan militer, Lockheed Martin juga membuat varian lain dari HULC ini, yaitu HULC with Lift Assist Device, yang mampu mengangkat beban seberat 68 kg. Pengembangan HULC sendiri didanai oleh US Army Natick Soldier Research Development and Engineering Center (NSRDEC) sebesar 1,1 juta dollar AS pada tahun 2010. HULC merupakan salah satu kandidat untuk menjadi PHE standar tentara AS, bersaing ketat dengan Sarcos/Raytheon XOS 2 Exoskeleton.

Hybrid Assistive Limb (HAL)

Spoiler: Hybrid Assistive Limb

Spoiler: Image

Spoiler: Video

[video=youtube_share;2Ysb-Oko3Bg]http://youtu.be/2Ysb-Oko3Bg[/video]

Hybrid Assistive Limb (HAL) merupakan PHE yang mulai dikembangkan pada tahun 1989 oleh Dr. Yoshiyuki Sankai dan timnya dari Tsukuba University, Jepang. Meskipun demikian, bentuk nyata dari PHE ini baru berhasil diciptakan pada awal dekade 2000. PHE ini tersedia dalam 2 model, HAL-5 yang berupa full suit model dan HAL-3 yang hanya mencakup bagian bawah tubuh. HAL sendiri memiliki sumber daya berupa baterai isi ulang 100 V, yang mampu menyuplai daya selama kurang lebih 2 jam 40 menit, dengan catatan hanya digunakan untuk kegiatan sehari-hari. PHE ini memiliki dimensi fisik setinggi 160 cm dengan berat 23 kg untuk HAL-5, dan 15 kg untuk HAL-3. Untuk kemampuan, pengguna HAL-5 diklaim mampu mengangkat beban hingga 5 kali lebih berat daripada yang biasanya mampu dia angkat.

Sesuai namanya (hybrid), HAL memiliki dua mode kontrol untuk PHE ini. Yang pertama adalah Cybernic Voluntary Control atau sering juga disebut Bio-Cybernic Control System. Sistem ini akan mendeteksi aliran listrik dari syaraf motorik saat otak pengguna memerintahkan otot untuk bergerak. Aliran listrik dideteksi melalui sensor syaraf motorik yang ada di sekujur bagian HAL. Aliran listrik ini kemudian akan diterjemahkan oleh komputer kontrol menjadi gerakan beserta kecepatan dan kekuatannya. Komputer kontrol kemudian akan memerintahkan PHE untuk bergerak sesuai dengan perhitungan tadi. Sistem kontrol yang kedua adalah Robotic Autonomous Control System. Sistem ini akan menyimpan gerakan-gerakan yang sudah pernah dilakukan oleh pengguna dengan sangat presisi. Hasil dari penyimpanan tersebut akan digunakan untuk menyempurnakan sistem pertama, jika sensor syaraf gagal mendeteksi adanya aliran listrik. Bahkan seandainya sistem pertama mengalami gagal total atau tidak aktif, maka sistem kedua masih mampu untuk mengoperasikan PHE ini. Tentu dengan catatan sistem kedua telah mempunyai memori tentang cara gerak penggunanya. Simpanan gerakan di dalam memori HAL sendiri juga akan terus-menerus diperbaharui setiap kali penggunanya bergerak.

Sekitar tahun 2006, Dr. Sankai mendapat tawaran dari Pentagon, AS dan Pemerintah Korea Selatan untuk membuat versi militer dari HAL, yang kemudian ditolak mentah-mentah. Ia mengatakan, “I am convinced that ethical values and a vision embracing peace, not military goals, must remain at the foundation of any future development of robot technology. (Saya percaya bahwa nilai-nilai etika dan visi akan perdamaian, bukan tujuan militer, yang harus selalu menjadi dasar dalam setiap pengembangan robot masa depan)”. Sebelumnya, untuk mendanai pengembangan PHE ini, pada tahun 2004 Dr. Yoshiyuki Sankai telah mendirikan sebuah perusahaan bernama Cyberdyne (yang ironisnya adalah nama perusahaan pencipta Skynet dalam seri film Terminator). Oleh karena itu, HAL tidak memiliki versi militer.

HAL sendiri sudah digunakan secara luas di Jepang, khususnya di rumah sakit, panti rehabilitasi, dan institusi kesehatan lainnya. Pada tahun 2011, versi yang telah dimodifikasi dari HAL-5 turut digunakan untuk membantu pembersihan reruntuhan radioaktif yang berasal dari kebocoran reaktor nuklir di Fukushima Daiichi. Tercatat hingga Oktober 2012, 130 institusi telah menggunakan PHE ini. Kurang lebih hingga tahun 2014, HAL akan tersedia untuk institusi kesehatan melalui sistem sewa, dengan biaya sebesar 2.000 dollar AS per bulannya.

Demikianlah pembahasan singkat mengenai Powered Human Exoskeleton. Memang semuanya masih dalam tahap pengembangan. Menurut TS sendiri, masih perlu beberapa puluh tahun lagi sampai kita bisa melihat sebuah PHE yang mampu beroperasi layaknya Iron Man. Namun ini merupakan pandangan TS sebagai orang awam, yang tentu saja tidak selalu sejalan dengan perkembangan dunia sains. Meskipun PHE yang telah berhasil diciptakan belum mampu menyamai kecanggihan MJOLNIR Powered Assault Armor dan CryNet Nanosuit, bahkan untuk sekedar mendekati saja belum, setidaknya kita sudah mulai melangkah, biar hanya satu langkah saja.

Spoiler: List of Sources

Dollar, Aaron M. dan Hugh Herr. Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses:Challenges and State-of-the-Art (IEEE Transaction on Robotics, Vol. 24, 1 Februari 2008). Availability=Offline, PDF file.
Kazerooni, H dkk. On the Mechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) (2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems). Availability=Offline, PDF file
Kazerooni, H. Exoskeletons for Human Power Augmentation (2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems). Availability=Offline, PDF file
Bonsor, Kevin dan Patrick Kiger. How Exoskeleton Will Work. Availability=Online
Heary, Jamey. Top 5 DARPA Technology Projects of 2010–Part 1 of 3. Availability=Online
Wikipedia. Powered Exoskeleton. Availability=Online
Wikipedia. HAL (robot). Availability=Online
Wikipedia. Human Universal Load Carrier (HULC). Availability=Online
Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory. BLEEX (summary). Availability=Online
Singer, Peter W. How to Be All That You Can Be: A Look at the Pentagon’s Five Step Plan For Making Iron Man Real. Availability=Online
Greenemeier, Larry. Robotic Exoskeletons from Cyberdyne Could Help Workers Clean Up Fukushima Nuclear Mess. Availability=Online
Lockheed Martin. HULC. Availability=Online
Mone, Gregory. Building The Real Iron Man. Availability=Online
21st CenturyTech. Biomedicine – Part 8: Robotic Exoskeletons. Availability=Online
Stevenho128 HubPages. History & Future of the Powered Exoskeleton Suit. Availability=Online
Cyberdyne Inc. What's "HAL" (Hybrid Assistive Limb®)?. Availability=Online
Cyberdyne Inc. "HAL" : Hybrid Control System. Availability=Online
Hanlon, Mike. Raytheon XOS 2: second generation exoskeleton. Availability=Online

TS disini hanya ingin berbagi pengetahuan, bagi yang ingin menanggapi silahkan
Bagi yang menemukan kesalahan, apapun itu, mulai dari tipografi sampai kesalahan informasi, dipersilahkan untuk memberi koreksi
Juga yang punya kritik dan saran, jangan cuma disimpan ya, ungkapkan saja
Mari kita belajar bersama ​

 

Hai, IDWS Mania! Mohon bantuannya supaya IDWS berkembang dengan ikuti sosial media kami di:
Discord Forum IDWS - Facebook IDWS - Instagram IDWS - Twitter IDWS