Egzoskeleti

Čeprav je zadnje čase vse več slišati o eksoskeletih, se je izkazalo, da zgodovina tega izuma sega v devetnajsto stoletje. Ugotovite, kako se je skozi desetletja spreminjal in kako so bile videti prelomnice v njegovem razvoju. 

1. Ilustracija iz patenta Nikolaja Yagna

1890 – Prve inovativne ideje za ustvarjanje eksoskeleta segajo v 1890. stoletje. Leta 420179 je Nicholas Yagn v ZDA patentiral (patent št. US XNUMX A) "Napravo za olajšanje hoje, teka in skakanja" (1). Šlo je za oklep iz lesa, katerega namen je bil povečati hitrost bojevnika med večkilometrskim pohodom. Dizajn je postal vir navdiha za nadaljnje iskanje optimalne rešitve.

1961 - V 60. letih prejšnjega stoletja je General Electric skupaj s skupino znanstvenikov z univerze Comell začel delati na ustvarjanju elektrohidravlične obleke, ki podpira človeško vadbo. Sodelovanje z vojsko pri projektu Man Augmentation je pripeljalo do razvoja Hardimana (2). Cilj projekta je bil ustvariti obleko, ki posnema naravne gibe človeka in mu omogoča dvigovanje predmetov, težkih skoraj 700 kg. Kostum sam je tehtal enako, vendar je bila oprijemljiva teža le 20 kg.

2. Prototip toplotnega izmenjevalnika General Electric

Kljub uspehu projekta se je izkazalo, da je njegova uporabnost zanemarljiva, začetni izvodi pa dragi. Njihove omejene možnosti mobilnosti in zapleten sistem napajanja so sčasoma naredili te naprave neuporabne. Med testiranjem se je izkazalo, da lahko Hardiman dvigne le 350 kg, pri dolgotrajni uporabi pa je nagnjen k nevarnim, nekoordiniranim gibom. Od nadaljnjega razvoja prototipa je bila opuščena le ena roka - naprava je tehtala približno 250 kg, vendar je bila prav tako nepraktična kot prejšnji eksoskelet.

70. leta »Zaradi velikosti, teže, nestabilnosti in težav z močjo Hardiman nikoli ni šel v proizvodnjo, vendar je industrijski Man-Mate uporabil nekaj tehnologije iz 60. let. Pravice do tehnologije je kupilo podjetje Western Space and Marine, ki ga je ustanovil eden od inženirjev GE. Izdelek je bil nadalje razvit in danes obstaja v obliki velike robotske roke, ki lahko dvigne do 4500 kg s pomočjo povratne sile, zaradi česar je idealen za jeklarsko industrijo.

3. Eksoskeleti, izdelani na Inštitutu Mihailo Pupin v Srbiji.

1972 – Zgodnje aktivne eksoskelete in humanoidne robote je na Inštitutu Mihailo Pupin v Srbiji razvila skupina pod vodstvom prof. Miomir Vukobratovich. Prvič, sistemi za gibanje nog so bili razviti za podporo rehabilitacije ljudi s paraplegijo (3). Pri razvoju aktivnih eksoskeletov so na inštitutu razvili tudi metode za analizo in nadzor človekove hoje. Nekateri od teh napredkov so prispevali k razvoju današnjih visoko zmogljivih humanoidnih robotov. Leta 1972 so na ortopedski kliniki v Beogradu testirali aktivni pnevmatski eksoskelet z elektronskim programiranjem za paralizo spodnjih okončin.

1985 »Inženir v Nacionalnem laboratoriju Los Alamos izdeluje eksoskelet, imenovan Pitman, močni oklep za pehote. Nadzor naprave je temeljil na senzorjih, ki skenirajo površino lobanje, nameščenih v posebni čeladi. Glede na zmožnosti takratne tehnologije je bila izdelava preveč zapletena. Omejitev je bila predvsem nezadostna računska moč računalnikov. Poleg tega je bila obdelava možganskih signalov in njihova pretvorba v gibe eksoskeleta v tistem času tehnično praktično nemogoča.

4. Exoskeleton Lifesuit, ki ga je oblikoval Monty Reed.

1986 — Monty Reed, vojak ameriške vojske, ki si je med skokom s padalom zlomil hrbtenico, razvije eksoskelet obleke za preživetje (4). Navdihnili so ga opisi mobilnih pehotnih oblek v znanstvenofantastičnem romanu Roberta Heinleina Starship Troopers, ki ga je prebral med okrevanjem v bolnišnici. Vendar pa je Reed začel delati na svoji napravi šele leta 2001. Leta 2005 je preizkusil prototip reševalne obleke 4,8 na dirki ob dnevu svetega Patrika v Seattlu v Washingtonu. Razvijalec trdi, da je postavil rekord hitrosti hoje v robotskih oblekah, saj je pretekel 4 kilometre s povprečno hitrostjo 14 km/h. Prototip Lifesuit 1,6 je lahko prevozil 92 km popolnoma napolnjen in je lahko dvignil XNUMX kg.

1990 – danes - Prvi prototip eksoskeleta HAL je predlagal Yoshiyuki Sankai (5), prof. Univerza v Tsukubi. Sankai je tri leta – od 1990 do 1993 – identificiral nevrone, ki nadzorujejo gibanje nog. On in njegova ekipa so potrebovali še štiri leta, da so izdelali prototip opreme. Tretji prototip HAL, razvit v začetku 22. stoletja, je bil povezan z računalnikom. Sama baterija je tehtala skoraj 5 kg, zaradi česar je bila zelo nepraktična. V nasprotju s tem je kasnejši model HAL-10 tehtal le 5 kg in je imel baterijo in krmilni računalnik ovita okoli pasu uporabnika. HAL-XNUMX je trenutno medicinski eksoskelet s štirimi okončinami (čeprav je na voljo tudi različica samo za spodnje okončine), ki ga proizvaja japonsko podjetje Cyberdyne Inc. v sodelovanju z Univerzo Tsukuba.

5. Profesor Yoshiyuki Sankai predstavlja enega od modelov eksoskeleta.

Deluje približno 2 uri 40 minut v zaprtih prostorih in na prostem. Pomaga pri dvigovanju težkih predmetov. Lokacija kontrol in pogona v posodah znotraj ohišja je omogočila, da se znebite "nahrbtnika", tako značilnega za večino eksoskeletov, ki včasih spominjajo na veliko žuželko. Ljudje s hipertenzijo, osteoporozo in kakršnim koli srčnim obolenjem se morajo pred uporabo HAL posvetovati z zdravnikom, kontraindikacije pa med drugim vključujejo srčni spodbujevalnik in nosečnost. V okviru programa HAL FIT proizvajalec ponuja možnost uporabe tretmajev z eksoskeletom tako za bolne kot za zdrave ljudi. Oblikovalec HAL trdi, da se bodo naslednje faze nadgradnje osredotočile na ustvarjanje tanke obleke, ki bo uporabniku omogočala svobodno gibanje in celo tek. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni in njegova ekipa pri Ekso Bionics razvijajo Universal Human Cargo Carrier ali HULC (6) je brezžični eksoskelet s hidravličnim pogonom. Njegov namen je pomagati vojskujočim se vojakom, da dolgo časa prenašajo tovore, težke do 90 kg, z največjo hitrostjo 16 km / h. Sistem je bil javnosti predstavljen na zimskem simpoziju AUSA 26. februarja 2009, ko je bil sklenjen licenčni sporazum z Lockheed Martin. Prevladujoči material, uporabljen pri tej zasnovi, je titan, lahek, a relativno drag material z visokimi mehanskimi in trdnostnimi lastnostmi.

Eksoskelet je opremljen s priseski, ki omogočajo prenašanje predmetov, težkih do 68 kg (dvižna naprava). Napajanje se napaja iz štirih litij-polimernih baterij, ki zagotavljajo normalno delovanje naprave pri optimalni obremenitvi do 20 ur. Eksoskelet je bil testiran v različnih bojnih pogojih in z različnimi obremenitvami. Po seriji uspešnih poskusov jeseni 2012 so ga poslali v Afganistan, kjer so ga testirali med oboroženim spopadom. Kljub številnim pozitivnim ocenam je bil projekt ustavljen. Kot se je izkazalo, je zasnova otežila izvajanje določenih gibov in dejansko povečala obremenitev mišic, kar je bilo v nasprotju s splošno idejo njegovega nastanka.

2001 – V teku je projekt Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), prvotno namenjen predvsem vojski. V njegovem okviru so bili doseženi obetavni rezultati v obliki avtonomnih rešitev praktičnega pomena. Najprej je nastala robotska naprava, pritrjena na spodnji del telesa, da daje nogam dodatno moč. Opremo je financirala Agencija za obrambne napredne raziskovalne projekte (DARPA), razvil pa jo je Laboratorij za robotiko in človeški inženiring Berkeley, oddelek Univerze v Kaliforniji, Oddelek za strojništvo Berkeley. Eksoskeletni sistem Berkeley daje vojakom možnost prenašanja velikih tovorov z minimalnim naporom in po vseh vrstah terena, kot so hrana, reševalna oprema, kompleti prve pomoči, komunikacije in orožje. Poleg vojaških aplikacij BLEEX trenutno razvija civilne projekte. Laboratorij za robotiko in človeški inženiring trenutno raziskuje naslednje rešitve: ExoHiker - eksoskelet, namenjen predvsem članom odprav, kjer je treba prevažati težko opremo, ExoClimber - oprema za ljudi, ki plezajo po visokih hribih, Medical Exoskeleton - eksoskelet za ljudi s posebnimi potrebami. fizične zmogljivosti. motnje gibljivosti spodnjih okončin.

8. Prototip Sarcos XOS 2 v akciji

besedilo

2010 – pojavi se XOS 2 (8) je nadaljevanje eksoskeleta XOS iz Sarcosa. Prvič, nova zasnova je postala lažja in zanesljivejša, kar vam omogoča dvigovanje bremen, težkih do 90 kg v statiki. Naprava spominja na kiborga. Krmiljenje temelji na tridesetih aktuatorjih, ki delujejo kot umetni sklepi. Eksoskelet vsebuje več senzorjev, ki preko računalnika prenašajo signale na aktuatorje. Na ta način poteka nemoteno in neprekinjeno delovanje, uporabnik pa ne občuti bistvenega napora. Teža XOS je 68 kg.

2011 – danes – Ameriška agencija za hrano in zdravila (FDA) odobri medicinski eksoskelet ReWalk (9). Gre za sistem, ki uporablja elemente moči za krepitev nog in ljudem s paralizo omogoča, da vstanejo naravnost, hodijo in plezajo po stopnicah. Energijo zagotavlja nahrbtna baterija. Upravljanje se izvaja s preprostim ročnim daljinskim upravljalnikom, ki zaznava in popravlja uporabnikove gibe. Celotno stvar je zasnoval Amit Goffer iz Izraela in jo prodaja ReWalk Robotics Ltd (prvotno Argo Medical Technologies) za okoli 85 PLN. dolarjev.

9 ljudi hodi v eksoskeletih ReWalk

Ob izdaji je bila oprema na voljo v dveh različicah - ReWalk I in ReWalk P. Prvo uporabljajo zdravstvene ustanove za raziskovalne ali terapevtske namene pod nadzorom zdravstvenega delavca. ReWalk P je namenjen osebni uporabi pacientov doma ali na javnih mestih. Januarja 2013 je bila izdana posodobljena različica ReWalk Rehabilitation 2.0. To je izboljšalo prileganje višjim ljudem in izboljšalo nadzorno programsko opremo. ReWalk od uporabnika zahteva uporabo bergel. Kot kontraindikacije so omenjene bolezni srca in ožilja ter krhkost kosti. Omejitev je tudi rast, znotraj 1,6-1,9 m, in telesna teža do 100 kg. To je edini eksoskelet, v katerem lahko vozite avto.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, prej znan kot Berkeley Bionics, razkrije svoj medicinski eksoskelet. Projekt se je začel dve leti prej pod imenom eLEGS (10), namenjen pa je bil rehabilitaciji ljudi z različnimi stopnjami paralize. Tako kot pri ReWalku, konstrukcija zahteva uporabo bergel. Baterija zagotavlja energijo za najmanj šest ur uporabe. Exo set stane približno 100 tisočakov. dolarjev. Na Poljskem je znan projekt eksoskeleta Ekso GT, medicinske naprave za delo z nevrološkimi bolniki. Njegova zasnova omogoča hojo, tudi ljudem po možganski kapi, poškodbi hrbtenjače, bolnikom z multiplo sklerozo ali z Guillain-Barréjevim sindromom. Oprema lahko deluje v več različnih načinih, odvisno od stopnje disfunkcije pacienta.

2013 – Mindwalker, projekt z umsko nadzorovanim eksoskeletom, prejema sredstva iz Evropske unije. Zasnova je rezultat sodelovanja med znanstveniki s Svobodne univerze v Bruslju in fundacije Santa Lucia v Italiji. Raziskovalci so preizkusili različne načine upravljanja naprave – menijo, da najbolje deluje možgansko-nevro-računalniški vmesnik (BNCI), ki omogoča upravljanje z mislimi. Signali prehajajo med možgani in računalnikom mimo hrbtenjače. Mindwalker pretvori signale EMG, to je majhne potenciale (imenovane miopotenciale), ki se pojavijo na površini kože osebe, ko mišice delujejo, v elektronske ukaze za gibanje. Eksoskelet je precej lahek, brez baterij tehta le 30 kg. Podpira odraslo osebo, ki tehta do 100 kg.

2016 – Tehnična univerza ETH v Zürichu v Švici gosti prvo športno tekmovanje Cybathlon za invalide, ki uporabljajo pomočne robote. Ena izmed disciplin je bila tekma eksoskeletona na poligonu z ovirami za osebe s paralizo spodnjih okončin. V tej predstavitvi spretnosti in tehnologije so morali uporabniki eksoskeletov opraviti naloge, kot so sedenje na kavču in vstajanje, hoja po pobočjih, stopanje po skalah (kot pri prečkanju plitve gorske reke) in plezanje po stopnicah. Izkazalo se je, da nihče ne obvlada vseh vaj, najhitrejše ekipe pa so za pretekanje 50-metrskega poligona z ovirami porabile več kot 8 minut. Naslednji dogodek se bo zgodil leta 2020 kot pokazatelj razvoja tehnologije eksoskeleta.

2019 – Med poletnimi demonstracijami v centru za usposabljanje Commando v Lympstonu v Združenem kraljestvu je Richard Browning, izumitelj in izvršni direktor podjetja Gravity Industries, pokazal svojo eksoskeletno reaktivno obleko Daedalus Mark 1, ki je naredila velik vtis na vojsko, in ne le na Britance. Šest majhnih reaktivnih motorjev – dva sta nameščena zadaj in dva v obliki dodatnih parov na vsaki roki – omogoča vzpon na višino do 600 m, goriva pa je zaenkrat dovolj le za 10 minut. let ...