Exoscheletele

Deși în ultima vreme s-a auzit din ce în ce mai mult despre exoschelete, se dovedește că istoria acestei invenții se întinde încă din secolul al XIX-lea. Aflați cum s-a schimbat de-a lungul deceniilor și cum au arătat punctele de cotitură în evoluția sa. 

1. Ilustrație din brevetul lui Nikolai Yagn

1890 – Primele idei inovatoare pentru crearea unui exoschelet datează din secolul al XIX-lea. În 1890, Nicholas Yagn a brevetat în Statele Unite (brevet nr. US 420179 A) „Un dispozitiv pentru facilitarea mersului, alergării și săriturii” (1). Era o armură din lemn, al cărei scop era să mărească viteza unui războinic în timpul unui marș de mulți kilometri. Designul a devenit o sursă de inspirație pentru căutarea ulterioară a soluției optime.

1961 - În anii 60, General Electric, împreună cu un grup de oameni de știință de la Universitatea din Comell, au început să lucreze la crearea unui costum electro-hidraulic care să susțină exercițiul uman. Colaborarea cu armata la proiectul Man Augmentation a dus la dezvoltarea Hardiman (2). Scopul proiectului a fost de a crea un costum care imită mișcările naturale ale unui om, permițându-i să ridice obiecte cu o greutate de aproape 700 kg. Costumul în sine cântărea la fel, dar greutatea tangibilă era de numai 20 kg.

2. Schimbător de căldură prototip General Electric

În ciuda succesului proiectului, s-a dovedit că utilitatea lui a fost neglijabilă, iar copiile inițiale ar fi scumpe. Opțiunile lor limitate de mobilitate și sistemul de alimentare complex au făcut în cele din urmă aceste dispozitive inutilizabile. În timpul testării, s-a dovedit că Hardiman poate ridica doar 350 kg și, cu o utilizare prelungită, are tendința de a face mișcări periculoase, necoordonate. De la dezvoltarea ulterioară a prototipului, doar un braț a fost abandonat - dispozitivul cântărea aproximativ 250 kg, dar era la fel de nepractic ca exoscheletul anterior.

Anii 70. „Datorită dimensiunii, greutății, instabilității și problemelor de putere, Hardiman nu a intrat niciodată în producție, dar Man-Mate industrial a folosit o tehnologie din anii 60. Drepturile asupra tehnologiei au fost cumpărate de Western Space and Marine, fondată de unul dintre inginerii GE. Produsul a fost dezvoltat în continuare și există astăzi sub forma unui braț robotic mare care poate ridica până la 4500 kg folosind feedback-ul de forță, făcându-l ideal pentru industria siderurgică.

3. Exoschelete construite la Institutul Mihailo Pupin din Serbia.

1972 – Exoscheletele active timpurii și roboții umanoizi au fost dezvoltați la Institutul Mihailo Pupin din Serbia de un grup condus de prof. Miomir Vukobratovici. În primul rând, sistemele de mișcare a picioarelor au fost dezvoltate pentru a sprijini reabilitarea persoanelor care suferă de paraplegie (3). La dezvoltarea exoscheletelor active, institutul a dezvoltat și metode pentru analizarea și controlul mersului uman. Unele dintre aceste progrese au contribuit la dezvoltarea roboților umanoizi de înaltă performanță de astăzi. În 1972, într-o clinică de ortopedie din Belgrad a fost testat un exoschelet pneumatic activ cu programare electronică pentru paralizia extremităților inferioare.

1985 „Un inginer de la Laboratorul Național Los Alamos construiește un exoschelet numit Pitman, armură de putere pentru infanterişti. Controlul dispozitivului s-a bazat pe senzori care scanează suprafața craniului, plasați într-o cască specială. Având în vedere capacitățile tehnologiei vremii, era un design prea complex pentru a fi fabricat. Limitarea a fost în primul rând puterea de calcul insuficientă a computerelor. În plus, procesarea semnalelor creierului și transformarea lor în mișcări ale exoscheletului rămânea practic imposibilă din punct de vedere tehnic la acel moment.

4. Costum de viață exoschelet, proiectat de Monty Reed.

1986 — Monty Reed, soldat al armatei americane care și-a fracturat coloana vertebrală în timp ce face parașutism, dezvoltă un exoschelet pentru costum de supraviețuire (4). S-a inspirat din descrierile costumelor mobile de infanterie din romanul științifico-fantastic al lui Robert Heinlein, Starship Troopers, pe care le-a citit în timp ce se recupera în spital. Cu toate acestea, Reed nu a început să lucreze la dispozitivul său până în 2001. În 2005, a testat un prototip de costum de salvare 4,8 în cursa de Ziua Sf. Patrick din Seattle, Washington. Dezvoltatorul susține că a stabilit un record de viteză de mers în costume de robot, parcurgând 4 kilometri cu o viteză medie de 14 km/h. Prototipul Lifesuit 1,6 a fost capabil să parcurgă 92 km complet încărcat și a permis să ridice XNUMX kg.

1990-prezent - Primul prototip al exoscheletului HAL a fost propus de Yoshiyuki Sankai (5), prof. Universitatea din Tsukuba. Sankai a petrecut trei ani - din 1990 până în 1993 - identificând neuronii care controlează mișcarea picioarelor. Lui și echipei lui i-au luat încă patru ani pentru a prototipa echipamentul. Al treilea prototip HAL, dezvoltat la începutul secolului al 22-lea, a fost conectat la un computer. Bateria în sine cântărea aproape 5 kg, ceea ce o făcea foarte nepractică. În schimb, modelul de mai târziu HAL-10 cântărea doar 5 kg și avea bateria și computerul de control înfășurate în jurul taliei utilizatorului. HAL-XNUMX este în prezent un exoschelet medical cu patru membre (deși este disponibilă și o versiune numai pentru membrele inferioare) fabricat de compania japoneză Cyberdyne Inc. în colaborare cu Universitatea din Tsukuba.

5. Profesorul Yoshiyuki Sankai prezintă unul dintre modelele de exoschelet.

Funcționează aproximativ 2 ore și 40 de minute atât în ​​interior, cât și în exterior. Ajută la ridicarea obiectelor grele. Amplasarea comenzilor și a conducerii în containere în interiorul carcasei a făcut posibilă scăparea de „rucsacul” atât de caracteristic pentru majoritatea exoscheletelor, uneori semănând cu o insectă mare. Persoanele cu hipertensiune arterială, osteoporoză și orice afecțiune cardiacă ar trebui să consulte un medic înainte de a utiliza HAL, iar contraindicațiile includ, dar nu se limitează la, un stimulator cardiac și sarcina. Ca parte a programului HAL FIT, producatorul ofera posibilitatea folosirii sedintelor de tratament cu exoschelet atat pentru persoanele bolnave, cat si pentru cele sanatoase. Designerul HAL susține că următoarele etape ale upgrade-ului se vor concentra pe crearea unui costum subțire care să permită utilizatorului să se miște liber și chiar să alerge. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni și echipa sa de la Ekso Bionics dezvoltă un Universal Human Cargo Carrier, sau HULC (6) este un exoschelet fără fir cu o acționare hidraulică. Scopul său este de a ajuta soldații în război să transporte încărcături cu o greutate de până la 90 kg pentru o perioadă lungă de timp, cu o viteză maximă de 16 km/h. Sistemul a fost dezvăluit publicului la Simpozionul de iarnă AUSA pe 26 februarie 2009, când a fost încheiat un acord de licență cu Lockheed Martin. Materialul dominant folosit în acest design este titanul, un material ușor, dar relativ scump, cu proprietăți mecanice și de rezistență ridicate.

Exoscheletul este echipat cu ventuze care va permit sa transportati obiecte cu o greutate de pana la 68 kg (dispozitiv de ridicare). Alimentarea este furnizată de la patru baterii litiu-polimer, care asigură funcționarea normală a dispozitivului la sarcină optimă de până la 20 de ore. Exoscheletul a fost testat în diferite condiții de luptă și cu diferite sarcini. După o serie de experimente de succes în toamna lui 2012, a fost trimis în Afganistan, unde a fost testat în timpul unui conflict armat. În ciuda multor recenzii pozitive, proiectul a fost suspendat. După cum s-a dovedit, designul a făcut dificilă efectuarea anumitor mișcări și de fapt a crescut sarcina asupra mușchilor, ceea ce a contrazis ideea generală a creării sale.

2001 – Proiectul Berkeley Lower Extremity Exoscheleton (BLEEX), destinat inițial în principal armatei, este în derulare. În cadrul acestuia, au fost obținute rezultate promițătoare sub forma unor soluții autonome de importanță practică. În primul rând, a fost creat un dispozitiv robotizat, atașat de partea inferioară a corpului pentru a oferi picioarelor un plus de forță. Echipamentul a fost finanțat de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) și dezvoltat de Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, o divizie a Universității din California, Berkeley Mechanical Engineering Department. Sistemul de exoschelet Berkeley oferă soldaților capacitatea de a transporta încărcături mari cu efort minim și pe orice tip de teren, cum ar fi alimente, echipamente de salvare, truse de prim ajutor, comunicații și arme. Pe lângă aplicațiile militare, BLEEX dezvoltă în prezent proiecte civile. Laboratorul de Robotică și Inginerie Umană investighează în prezent următoarele soluții: ExoHiker - un exoschelet conceput în principal pentru membrii expediției unde este nevoie de transport de echipamente grele, ExoClimber - echipamente pentru persoanele care urcă dealuri înalte, Exoschelet medical - un exoschelet pentru persoanele cu dizabilități capacitati fizice. tulburări de mobilitate a membrelor inferioare.

8. Prototipul Sarcos XOS 2 în acțiune

textul

2010 – apare XOS 2 (8) este o continuare a exoscheletului XOS de la Sarcos. În primul rând, noul design a devenit mai ușor și mai fiabil, permițându-vă să ridicați sarcini cu o greutate de până la 90 kg în statică. Dispozitivul seamănă cu un cyborg. Controlul se bazează pe treizeci de dispozitive de acționare care acționează ca articulații artificiale. Exoscheletul conține mai mulți senzori care transmit semnale către actuatoare prin intermediul unui computer. În acest fel, are loc o funcționare lină și continuă, iar utilizatorul nu simte niciun efort semnificativ. Greutatea XOS este de 68 kg.

2011-prezent – Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente (FDA) aprobă exoscheletul medical ReWalk (9). Este un sistem care folosește elemente de forță pentru a întări picioarele și le permite persoanelor cu paralizie să stea drepte, să meargă și să urce scările. Energia este furnizată de o baterie de rucsac. Controlul se realizează folosind o telecomandă simplă de mână care detectează și corectează mișcările utilizatorului. Întregul lucru a fost proiectat de Amit Goffer din Israel și este vândut de ReWalk Robotics Ltd (inițial Argo Medical Technologies) pentru aproximativ 85 PLN. dolari.

9 oameni merg în exoscheletele ReWalk

La momentul lansării, echipamentul era disponibil în două versiuni - ReWalk I și ReWalk P. Prima este folosită de instituțiile medicale în scopuri de cercetare sau terapeutice sub supravegherea unui medic specialist. ReWalk P este destinat uzului personal de către pacienți acasă sau în zone publice. În ianuarie 2013, a fost lansată o versiune actualizată a ReWalk Rehabilitation 2.0. Acest lucru a îmbunătățit potrivirea pentru persoanele mai înalte și a îmbunătățit software-ul de control. ReWalk cere utilizatorului să folosească cârje. Ca contraindicații sunt menționate bolile cardiovasculare și fragilitatea osoasă. Limitarea este și creșterea, în intervalul de 1,6-1,9 m, și greutatea corporală de până la 100 kg. Acesta este singurul exoschelet în care poți conduce o mașină.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, cunoscută anterior ca Berkeley Bionics, își dezvăluie exoscheletul medical. Proiectul a început cu doi ani mai devreme sub numele eLEGS (10), și a fost destinat reabilitării persoanelor cu diferite grade de paralizie. Ca și ReWalk, construcția necesită folosirea cârjelor. Bateria furnizează energie pentru cel puțin șase ore de utilizare. Setul Exo costă aproximativ 100 de mii. dolari. În Polonia, este cunoscut proiectul exoscheletului Ekso GT, un dispozitiv medical conceput pentru a lucra cu pacienții neurologici. Designul său permite mersul pe jos, inclusiv persoanelor după accidente vasculare cerebrale, leziuni ale măduvei spinării, pacienților cu scleroză multiplă sau cu sindrom Guillain-Barré. Echipamentul poate funcționa în mai multe moduri diferite, în funcție de gradul de disfuncție a pacientului.

2013 – Mindwalker, un proiect de exoschelet controlat de minte, primește finanțare de la Uniunea Europeană. Designul este rezultatul unei colaborări dintre oamenii de știință de la Universitatea Liberă din Bruxelles și Fundația Santa Lucia din Italia. Cercetătorii au testat diferite moduri de a controla dispozitivul - ei cred că interfața creier-neuro-computer (BNCI) funcționează cel mai bine, ceea ce vă permite să-l controlați cu gândurile. Semnalele trec între creier și computer, ocolind măduva spinării. Mindwalker convertește semnalele EMG, adică potențiale mici (numite miopotențiale) care apar pe suprafața pielii unei persoane atunci când mușchii lucrează, în comenzi electronice de mișcare. Exoscheletul este destul de ușor, cântărind doar 30 kg fără baterii. Va suporta un adult cu o greutate de pana la 100 kg.

2016 – Universitatea Tehnică ETH din Zurich, Elveția, găzduiește prima competiție sportivă Cybathlon pentru persoanele cu dizabilități care folosesc roboți de asistență. Una dintre discipline a fost cursa de exoschelet pe o cursă de obstacole pentru persoanele cu paralizie a extremităților inferioare. În această demonstrație de abilități și tehnologie, utilizatorii de exoschelet au fost nevoiți să îndeplinească sarcini cum ar fi să stea pe o canapea și să se ridice, să meargă pe pante, să pășească pe stânci (cum ar fi atunci când traversează un râu de munte puțin adânc) și să urce scările. S-a dovedit că nimeni nu a reușit să stăpânească toate exercițiile și celor mai rapide echipe le-a luat mai mult de 50 de minute pentru a finaliza cursa cu obstacole de 8 metri. Următorul eveniment va avea loc în 2020 ca un indicator al dezvoltării tehnologiei exoscheletului.

2019 – În timpul demonstrațiilor de vară la Centrul de Antrenament Commando din Lympston, Marea Britanie, Richard Browning, inventatorul și CEO al Gravity Industries, și-a etalat costumul cu jet cu exoschelet Daedalus Mark 1, care a făcut o impresie uriașă asupra armatei, și nu numai a britanicilor. Șase motoare cu reacție mici - două dintre ele sunt instalate în spate și două sub formă de perechi suplimentare pe fiecare braț - vă permit să urcați la o înălțime de până la 600 m. Până acum, există doar suficient combustibil pentru 10 minute de zborul...