Eksoskelett

Selv om mer og mer har blitt hørt om eksoskjeletter i det siste, viser det seg at historien til denne oppfinnelsen går tilbake til det nittende århundre. Finn ut hvordan den har endret seg gjennom flere tiår og hvordan vendepunktene i utviklingen så ut. 

1. Illustrasjon fra patentet til Nikolai Yagn

1890 – De første innovative ideene for å lage et eksoskjelett dateres tilbake til 1890-tallet. I 420179 patenterte Nicholas Yagn i USA (patent nr. US XNUMX A) "A device for facilitating walking, running and jumping" (1). Det var en rustning laget av tre, hvis formål var å øke farten til en kriger under en mange kilometer lang marsj. Designet ble en inspirasjonskilde for videre søk etter den optimale løsningen.

1961 – På 60-tallet begynte General Electric, sammen med en gruppe forskere fra University of Comell, arbeidet med å lage en elektrohydraulisk drakt som støtter menneskelig trening. Samarbeid med militæret om Man Augmentation-prosjektet førte til utviklingen av Hardiman (2). Målet med prosjektet var å lage en drakt som etterligner de naturlige bevegelsene til et menneske, slik at han kan løfte gjenstander som veier nesten 700 kg. Selve kostymet veide det samme, men den materielle vekten var bare 20 kg.

2. General Electric prototype varmeveksler

Til tross for suksessen til prosjektet, viste det seg at nytten var ubetydelig, og de første kopiene ville bli dyre. Deres begrensede mobilitetsmuligheter og komplekse kraftsystem gjorde til slutt disse enhetene ubrukelige. Under testing viste det seg at Hardiman kun kan løfte 350 kg, og har ved langvarig bruk en tendens til farlige, ukoordinerte bevegelser. Fra videreutviklingen av prototypen ble bare en arm forlatt - enheten veide omtrent 250 kg, men den var like upraktisk som det forrige eksoskjelettet.

70-tallet. "På grunn av størrelsen, vekten, ustabiliteten og strømproblemer kom Hardiman aldri i produksjon, men den industrielle Man-Mate brukte noe teknologi fra 60-tallet. Rettighetene til teknologien ble kjøpt av Western Space and Marine, grunnlagt av en av GE-ingeniørene. Produktet er videreutviklet og eksisterer i dag i form av en stor robotarm som kan løfte opptil 4500 kg ved hjelp av force feedback, noe som gjør det ideelt for stålindustrien.

3. Eksoskjeletter bygget ved Mihailo Pupin Institute i Serbia.

1972 – Tidlig aktive eksoskjeletter og humanoide roboter ble utviklet ved Mihailo Pupin Institute i Serbia av en gruppe ledet av prof. Miomir Vukobratovich. For det første har benbevegelsessystemer blitt utviklet for å støtte rehabilitering av mennesker som lider av paraplegi (3). Ved utvikling av aktive eksoskjeletter utviklet instituttet også metoder for å analysere og kontrollere menneskelig gang. Noen av disse fremskrittene har bidratt til utviklingen av dagens høyytelses humanoide roboter. I 1972 ble et aktivt pneumatisk eksoskjelett med elektronisk programmering for lammelse av underekstremitetene testet på en ortopedisk klinikk i Beograd.

1985 "En ingeniør ved Los Alamos National Laboratory bygger et eksoskjelett kalt Pitman, kraftrustning for infanterister. Kontrollen av enheten var basert på sensorer som skanner overflaten av hodeskallen, plassert i en spesiell hjelm. Gitt egenskapene til datidens teknologi, var det et for komplekst design å produsere. Begrensningen var først og fremst den utilstrekkelige datakraften til datamaskiner. I tillegg forble det teknisk praktisk umulig på den tiden å behandle hjernesignaler og konvertere dem til eksoskjelettbevegelser.

4. Exoskeleton Lifesuit, designet av Monty Reed.

1986 - Monty Reed, soldat fra den amerikanske hæren som brakk ryggraden mens han hoppet i fallskjermhopping, utvikler et eksoskjelett for overlevelsesdrakt (4). Han ble inspirert av beskrivelsene av mobile infanteridrakter i Robert Heinleins science fiction-roman Starship Troopers, som han leste mens han restituerte seg på sykehuset. Reed begynte imidlertid ikke å jobbe med enheten før i 2001. I 2005 testet han en prototype 4,8 redningsdrakt i St. Patrick's Day-løpet i Seattle, Washington. Utvikleren hevder å ha satt ganghastighetsrekord i robotdrakter, og dekker 4 kilometer med en gjennomsnittshastighet på 14 km/t. Prototypen Lifesuit 1,6 var i stand til å gå 92 km fulladet og tillot å løfte XNUMX kg.

1990-i dag - Den første prototypen av HAL-eksoskjelettet ble foreslått av Yoshiyuki Sankai (5), prof. Universitetet i Tsukuba. Sankai brukte tre år - fra 1990 til 1993 - på å identifisere nevronene som kontrollerer beinbevegelsen. Det tok ham og teamet hans ytterligere fire år å prototype utstyret. Den tredje HAL-prototypen, utviklet på begynnelsen av det 22. århundre, ble koblet til en datamaskin. Selve batteriet veide nesten 5 kg, noe som gjorde det svært upraktisk. Derimot veide den senere modellen HAL-10 bare 5 kg og hadde batteriet og kontrolldatamaskinen viklet rundt brukerens midje. HAL-XNUMX er for tiden et medisinsk eksoskjelett med fire ben (selv om en versjon som kun er tilgjengelig for underekstremiteter) produsert av det japanske selskapet Cyberdyne Inc. i samarbeid med University of Tsukuba.

5. Professor Yoshiyuki Sankai presenterer en av eksoskjelettmodellene.

Fungerer ca. 2 timer og 40 minutter både innendørs og utendørs. Hjelper å løfte tunge gjenstander. Plasseringen av kontrollene og stasjonen i containere inne i kassen gjorde det mulig å kvitte seg med "ryggsekken" som er så karakteristisk for de fleste eksoskjeletter, noen ganger som ligner et stort insekt. Personer med hypertensjon, osteoporose og enhver hjertesykdom bør konsultere en lege før de bruker HAL, og kontraindikasjoner inkluderer, men er ikke begrenset til, pacemaker og graviditet. Som en del av HAL FIT-programmet tilbyr produsenten muligheten for å bruke behandlingsøkter med eksoskjelett for både syke og friske. HALs designer hevder at de neste stadiene av oppgraderingen vil fokusere på å lage en tynn dress som lar brukeren bevege seg fritt og til og med løpe. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni og teamet hans hos Ekso Bionics utvikler en Universal Human Cargo Carrier, eller HULC (6) er et trådløst eksoskjelett med hydraulisk drift. Formålet er å hjelpe stridende soldater med å bære laster som veier opptil 90 kg i lang tid, med en maksimal hastighet på 16 km/t. Systemet ble avduket for publikum på AUSA Winter Symposium 26. februar 2009, da det ble oppnådd en lisensavtale med Lockheed Martin. Det dominerende materialet som brukes i dette designet er titan, et lett, men relativt dyrt materiale med høye mekaniske og styrkeegenskaper.

Eksoskjelettet er utstyrt med sugekopper som lar deg bære gjenstander som veier opptil 68 kg (løfteanordning). Strøm leveres fra fire litium-polymer-batterier, som sikrer normal drift av enheten ved optimal belastning i opptil 20 timer. Eksoskjelettet ble testet under forskjellige kampforhold og med forskjellige belastninger. Etter en rekke vellykkede eksperimenter høsten 2012 ble han sendt til Afghanistan, hvor han ble testet under en væpnet konflikt. Til tross for mange positive anmeldelser ble prosjektet satt på vent. Som det viste seg, gjorde designet det vanskelig å utføre visse bevegelser og økte faktisk belastningen på musklene, noe som var i strid med den generelle ideen om opprettelsen.

2001 – Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)-prosjektet, opprinnelig ment hovedsakelig for hæren, er i gang. Innenfor dens rammer er det oppnådd lovende resultater i form av autonome løsninger av praktisk betydning. Først og fremst ble det laget en robotenhet, festet til underkroppen for å gi bena ekstra styrke. Utstyret ble finansiert av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) og utviklet av Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, en avdeling av University of California, Berkeley Mechanical Engineering Department. Berkeleys eksoskjelettsystem gir soldater muligheten til å bære store laster med minimal innsats og over alle typer terreng, som mat, redningsutstyr, førstehjelpsutstyr, kommunikasjon og våpen. I tillegg til militære applikasjoner, utvikler BLEEX for tiden sivile prosjekter. Robotics and Human Engineering Laboratory forsker for tiden på følgende løsninger: ExoHiker - et eksoskjelett designet hovedsakelig for ekspedisjonsmedlemmer der det er behov for å transportere tungt utstyr, ExoClimber - utstyr for folk som klatrer i høye bakker, Medisinsk eksoskjelett - et eksoskjelett for personer med funksjonsnedsettelser fysiske evner. mobilitetsforstyrrelser i underekstremitetene.

8. Prototype Sarcos XOS 2 i aksjon

текст

2010 – XOS 2 vises (8) er en fortsettelse av XOS-eksoskjelettet fra Sarcos. For det første har den nye designen blitt lettere og mer pålitelig, slik at du kan løfte laster som veier opptil 90 kg i statisk elektrisitet. Enheten ligner en cyborg. Kontrollen er basert på tretti aktuatorer som fungerer som kunstige ledd. Eksoskjelettet inneholder flere sensorer som overfører signaler til aktuatorene via en datamaskin. På denne måten skjer jevn og kontinuerlig drift, og brukeren føler ingen nevneverdig innsats. XOS vekt er 68 kg.

2011-i dag – US Food and Drug Administration (FDA) godkjenner ReWalk medisinske eksoskjelett (9). Det er et system som bruker styrkeelementer for å styrke bena og lar personer med lammelser stå rett, gå og gå i trapper. Energi leveres av et ryggsekkbatteri. Kontrollen utføres ved hjelp av en enkel håndholdt fjernkontroll som registrerer og korrigerer brukerens bevegelser. Det hele ble designet av Amit Goffer fra Israel og selges av ReWalk Robotics Ltd (opprinnelig Argo Medical Technologies) for rundt PLN 85 XNUMX. dollar.

9 personer går i ReWalk-eksoskeletons

På utgivelsestidspunktet var utstyret tilgjengelig i to versjoner - ReWalk I og ReWalk P. Den første brukes av medisinske institusjoner til forskning eller terapeutiske formål under tilsyn av en medisinsk fagperson. ReWalk P er beregnet for personlig bruk av pasienter hjemme eller på offentlige områder. I januar 2013 ble en oppdatert versjon av ReWalk Rehabilitation 2.0 utgitt. Dette forbedret passformen for høyere personer og forbedret kontrollprogramvaren. ReWalk krever at brukeren bruker krykker. Hjerte- og karsykdommer og benskjørhet er nevnt som kontraindikasjoner. Begrensningen er også vekst, innenfor 1,6-1,9 m, og kroppsvekt opp til 100 kg. Dette er det eneste eksoskjelettet du kan kjøre bil i.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, tidligere kjent som Berkeley Bionics, avduker sitt medisinske eksoskjelett. Prosjektet startet to år tidligere under navnet eLEGS (10), og var beregnet på rehabilitering av personer med ulik grad av lammelser. I likhet med ReWalk krever konstruksjonen bruk av krykker. Batteriet gir energi til minst seks timers bruk. Exo sett koster ca 100 tusen. dollar. I Polen er prosjektet til eksoskjelettet Ekso GT, et medisinsk utstyr designet for å fungere med nevrologiske pasienter, kjent. Designet gjør det mulig å gå, inkludert personer etter slag, ryggmargsskader, pasienter med multippel sklerose eller med Guillain-Barré syndrom. Utstyret kan operere i flere forskjellige moduser, avhengig av graden av dysfunksjon hos pasienten.

2013 – Mindwalker, et tankekontrollert eksoskjelettprosjekt, mottar midler fra EU. Designet er et resultat av et samarbeid mellom forskere fra Free University of Brussels og Santa Lucia Foundation i Italia. Forskerne testet forskjellige måter å kontrollere enheten på – de mener at hjerne-nevro-datamaskin-grensesnittet (BNCI) fungerer best, som lar deg kontrollere det med tanker. Signaler passerer mellom hjernen og datamaskinen og går utenom ryggmargen. Mindwalker konverterer EMG-signaler, det vil si små potensialer (kalt myopotensialer) som vises på overflaten av en persons hud når musklene jobber, til elektroniske bevegelseskommandoer. Eksoskjelettet er ganske lett, veier kun 30 kg uten batterier. Den vil støtte en voksen som veier opptil 100 kg.

2016 – ETH Technical University i Zürich, Sveits, er vertskap for den første Cybathlon-idrettskonkurransen for funksjonshemmede som bruker hjelperoboter. En av disiplinene var eksoskjelettløpet på en hinderløype for personer med lammelser i underekstremitetene. I denne demonstrasjonen av ferdigheter og teknologi, måtte brukere av eksoskjelett utføre oppgaver som å sitte på en sofa og reise seg, gå i skråninger, tråkke på steiner (som når de krysser en grunne fjellelv) og gå i trapper. Det viste seg at ingen klarte å mestre alle øvelsene, og det tok de raskeste lagene mer enn 50 minutter å fullføre den 8 meter lange hinderløypen. Den neste begivenheten vil finne sted i 2020 som en indikator på utviklingen av eksoskjelettteknologi.

2019 – Under sommerdemonstrasjoner ved Commando Training Center i Lympston, Storbritannia, viste Richard Browning, oppfinner og administrerende direktør i Gravity Industries, frem sin Daedalus Mark 1 eksoskeletonjetdrakt, som gjorde et enormt inntrykk på militæret, og ikke bare britene. Seks små jetmotorer - to av dem er installert bak og to i form av ekstra par på hver arm - lar deg klatre til en høyde på opptil 600 m. Så langt er det bare nok drivstoff til 10 minutter med flygning ...