Exoskeletons

Selvom vi har hørt mere og mere om exoskeletter på det seneste, viser det sig, at denne opfindelses historie går tilbage til det nittende århundrede. Find ud af, hvordan den har ændret sig gennem årtier, og hvordan vendepunkterne i dens udvikling så ud. 

1. Illustration fra Nikolai Yagnas patent

1890 – De første innovative ideer til at skabe et eksoskelet dateres tilbage til det 1890. århundrede. I 420179 patenterede Nicholas Yagn i USA (patent nr. US XNUMX A) "En anordning til at lette gang, løb og spring" (1). Det var panser lavet af træ, hvis formål var at øge en krigers hastighed under en multi-kilometer march. Designet blev en inspirationskilde til videre søgen efter den optimale løsning.

1961 - I 60'erne begyndte General Electric sammen med en gruppe videnskabsmænd fra University of Comell arbejdet med at skabe en elektrohydraulisk dragt, der understøtter menneskelig træning. Samarbejde med militæret om Man Augmentation-projektet førte til udviklingen af ​​Hardiman (2). Målet med projektet var at skabe en dragt, der ville efterligne en persons naturlige bevægelser, så han kunne løfte genstande, der vejer næsten 700 kg. Selve dragten vejede det samme, men den håndgribelige vægt var kun 20 kg.

2. General Electric varmeveksler prototype

På trods af projektets succes viste det sig, at dets anvendelighed var ubetydelig, og de første kopier ville være dyre. Deres begrænsede mobilitetsmuligheder og komplekse strømsystemer gjorde i sidste ende disse enheder ubrugelige. Under test viste det sig, at Hardiman kun kan løfte 350 kg, og når den bruges i længere tid, har den en tendens til at lave farlige, ukoordinerede bevægelser. Kun en arm blev forladt fra yderligere udvikling af prototypen - enheden vejede omkring 250 kg, men den var lige så upraktisk som det tidligere eksoskelet.

70. "På grund af dens størrelse, vægt, ustabilitet og strømproblemer kom Hardiman aldrig i produktion, men den industrielle Man-Mate brugte noget teknologi fra 60'erne. Rettighederne til teknologien blev købt af Western Space and Marine, grundlagt af en af ​​GE-ingeniørerne. Produktet er videreudviklet og eksisterer i dag i form af en stor robotarm, der kan løfte op til 4500 kg ved hjælp af force feedback, hvilket gør det ideelt til stålindustrien.

3. Eksoskeletter bygget på Mihailo Pupin Institute i Serbien.

1972 – Tidlige aktive eksoskeletter og humanoide robotter blev udviklet på Mihailo Pupin Institute i Serbien af ​​en gruppe ledet af prof. Miomir Vukobratovich. For det første er benbevægelsessystemer blevet udviklet til at understøtte rehabilitering af mennesker, der lider af paraplegi (3). Ved udvikling af aktive eksoskeletoner udviklede instituttet også metoder til at analysere og kontrollere menneskelig gang. Nogle af disse fremskridt har bidraget til udviklingen af ​​nutidens højtydende humanoide robotter. I 1972 blev et aktivt eksoskelet med pneumatisk drev og elektronisk programmering til paraplegikere testet på en ortopædisk klinik i Beograd.

1985 "En ingeniør ved Los Alamos National Laboratory bygger et eksoskelet kaldet Pitman, kraftpanser til infanterister. Styringen af ​​enheden var baseret på sensorer, der scanner overfladen af ​​kraniet, placeret i en speciel hjelm. I betragtning af datidens teknologis muligheder var det et for komplekst design at fremstille. Begrænsningen var primært computernes utilstrækkelige computerkraft. Derudover forblev det teknisk praktisk umuligt at behandle hjernesignaler og konvertere dem til eksoskeletbevægelser på det tidspunkt.

4. Livsdragt eksoskelet designet af Monty Reed.

1986 - Monty Reed, US Army-soldat, der brækkede sin rygsøjle under faldskærmsudspring, udvikler et eksoskelet for overlevelsesdragt (4). Han blev inspireret af beskrivelserne af mobile infanteridragter i Robert Heinleins science fiction-roman Starship Troopers, som han læste, mens han kom sig på hospitalet. Reed begyndte dog først at arbejde på sin enhed i 2001. I 2005 testede han en prototype 4,8-gauge flugtdragt i St. Patrick's Day-løbet i Seattle, Washington. Udvikleren hævder at have sat rekord for ganghastighed i robotdragter, der dækker 4 kilometer med en gennemsnitshastighed på 14 km/t. Lifesuit 1,6 prototypen var i stand til at rejse 92 km fuldt opladet og var i stand til at løfte XNUMX kg.

1990-nutid - Den første prototype af HAL exoskelettet blev foreslået af Yoshiyuki Sankai (5), Prof. Universitetet i Tsukuba. Sankai brugte tre år, fra 1990 til 1993, på at identificere de neuroner, der styrer benbevægelsen. Det tog ham og hans team yderligere fire år at prototype udstyret. Den tredje HAL-prototype, udviklet i begyndelsen af ​​det 22. århundrede, var forbundet til en computer. Selve batteriet vejede næsten 5 kg, hvilket gør det meget upraktisk. Derimod vejede den senere model HAL-10 kun 5 kg, og batteri og styrecomputer var viklet rundt om brugerens talje. HAL-XNUMX er i øjeblikket et medicinsk eksoskelet med fire lemmer (selvom en version kun er tilgængelig for underekstremiteterne) fremstillet af det japanske firma Cyberdyne Inc. i samarbejde med University of Tsukuba.

5. Professor Yoshiyuki Sankai præsenterer en af ​​exoskeletmodellerne.

Kører cirka 2 timer og 40 minutter både indendørs og udendørs. Hjælper med at løfte tunge genstande. Arrangementet af kontrol- og drivelementer i beholdere inde i kroppen gjorde det muligt at slippe af med "rygsækken", der er så karakteristisk for de fleste eksoskeletter, nogle gange ligner et stort insekt. Personer med hypertension, osteoporose og enhver hjertesygdom bør konsultere en læge, før de bruger HAL, og kontraindikationer omfatter, men er ikke begrænset til, pacemaker og graviditet. Som en del af HAL FIT-programmet tilbyder producenten muligheden for at bruge terapeutiske sessioner med et eksoskelet til både syge og raske mennesker. Designer HAL hævder, at de næste stadier af modernisering vil være rettet mod at skabe en tynd dragt, der giver brugeren mulighed for at bevæge sig frit og endda løbe. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni og hans team hos Ekso Bionics er ved at udvikle en Universal Human Cargo Carrier eller HULC (6) er et trådløst eksoskelet med hydraulisk drev. Dens formål er at hjælpe kæmpende soldater med at bære byrder, der vejer op til 90 kg i lange perioder, med en maksimal hastighed på 16 km/t. Systemet blev afsløret for offentligheden ved AUSA Winter Symposium den 26. februar 2009, da der blev indgået en licensaftale med Lockheed Martin. Det dominerende materiale, der anvendes i dette design, er titanium, et let, men relativt dyrt materiale med høje mekaniske og styrkeegenskaber.

Eksoskelettet er udstyret med sugekopper, der gør det muligt at bære genstande, der vejer op til 68 kg (løfteanordning). Strøm leveres fra fire lithium-polymer batterier, som sikrer normal drift af enheden ved optimal belastning i op til 20 timer. Eksoskelettet blev testet under forskellige kampforhold og med forskellige belastninger. Efter en række vellykkede eksperimenter blev han i efteråret 2012 sendt til Afghanistan, hvor han blev testet under den væbnede konflikt. Trods mange positive anmeldelser blev projektet suspenderet. Det viste sig, at designet gjorde det vanskeligt at udføre visse bevægelser og øgede faktisk belastningen på musklerne, hvilket modsagde den generelle idé om dens skabelse.

2001 – Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)-projektet, der oprindeligt hovedsagelig var beregnet til hæren, er i gang. Inden for dens rammer er der opnået lovende resultater i form af autonome løsninger af praktisk betydning. Først og fremmest blev der skabt en robot-enhed, fastgjort til underkroppen for at give benene ekstra styrke. Udstyret blev finansieret af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) og udviklet af Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, en afdeling af University of California, Berkeley Mechanical Engineering Department. Berkeley exoskelet-systemet giver soldater mulighed for at bære store nyttelaster med minimal indsats og over enhver form for terræn, såsom mad, redningsudstyr, førstehjælpskasser, kommunikation og våben. Ud over militære applikationer udvikler BLEEX i øjeblikket civile projekter. Robotics and Human Engineering Laboratory undersøger i øjeblikket følgende løsninger: ExoHiker - et exoskelet designet hovedsageligt til ekspeditionsmedlemmer, hvor der er behov for at transportere tungt udstyr, ExoClimber - udstyr til folk, der klatrer i høje bakker, Medical Exoskelet - et exoskelet til mennesker med handicap. fysiske formåen. mobilitetsforstyrrelser i underekstremiteterne.

8. Sarcos XOS 2 prototype i aktion

текст

2010 – XOS 2 vises (8) er en fortsættelse af XOS exoskelettet fra Sarcos. Først og fremmest er det nye design blevet lettere og mere pålideligt, hvilket muliggør statisk løft af byrder, der vejer op til 90 kg. Enheden ligner en cyborg. Styringen er baseret på tredive aktuatorer, der fungerer som kunstige led. Eksoskelettet indeholder flere sensorer, der transmitterer signaler til aktuatorer via en computer. Der sker således en jævn og kontinuerlig kontrol, uden at brugeren føler nogen væsentlig indsats. XOS vejer 68 kg.

2011-nutid – Den amerikanske fødevare- og lægemiddeladministration (FDA) godkender ReWalks medicinske eksoskelet (9). Det er et system, der bruger styrkeelementer til at styrke benene og tillader paraplegikere at stå oprejst, gå og gå op ad trapper. Energi leveres af et rygsækbatteri. Styringen udføres ved hjælp af en simpel håndholdt fjernbetjening, som registrerer og korrigerer brugerens bevægelser. Alt dette blev udviklet af Amit Goffer fra Israel og sælges af ReWalk Robotics Ltd (oprindeligt Argo Medical Technologies) for cirka PLN 85 tusind. dollars.

9. Folk går i ReWalk exoskeletter

På udgivelsestidspunktet var udstyret tilgængeligt i to versioner - ReWalk I og ReWalk P. Den første bruges af medicinske institutioner til forsknings- eller terapeutiske formål under opsyn af en læge. ReWalk P er beregnet til personlig brug af patienter i hjemmet eller på offentlige steder. I januar 2013 blev en opdateret version af ReWalk Rehabilitation 2.0 udgivet. Dette forbedrede siddepositionen for højere personer og forbedrede kontrolsoftwaren. ReWalk kræver, at brugeren bruger krykker. Hjerte-kar-sygdomme og knogleskørhed nævnes som kontraindikationer. Begrænsninger er også højde, inden for 1,6-1,9 m, og kropsvægt op til 100 kg. Dette er det eneste eksoskelet, hvor du kan køre bil.

10. eLEGS fra Ex Bionics

2012 Ekso Bionics, tidligere kendt som Berkeley Bionics, løfter sløret for sit medicinske eksoskelet. Projektet startede to år tidligere under navnet eLEGS (10), og var beregnet til rehabilitering af mennesker med varierende grader af lammelser. Ligesom ReWalk kræver designet brug af krykker. Batteriet giver energi til mindst seks timers brug. Exo-sættet koster omkring 100 tusind. dollars. I Polen er Ekso GT exoskelet-projektet kendt - et medicinsk udstyr designet til at arbejde med neurologiske patienter. Dens design gør det muligt at gå, inklusive personer efter slagtilfælde, rygmarvsskader, patienter med multipel sklerose eller med Guillain-Barré syndrom. Udstyret kan fungere i flere forskellige tilstande, afhængigt af graden af ​​dysfunktion hos patienten.

2013 – Mindwalker, et tankekontrolleret exoskeletprojekt, modtager støtte fra EU. Designet er resultatet af et samarbejde mellem forskere fra Det Frie Universitet i Bruxelles og Santa Lucia Foundation i Italien. Forskerne testede forskellige måder at styre enheden på – de mener, at hjerne-neuro-computer-grænsefladen (BNCI) fungerer bedst, hvilket giver dig mulighed for at styre den med tanker. Signaler passerer mellem hjernen og computeren og går uden om rygmarven. Mindwalker konverterer EMG-signaler, det vil sige små potentialer (kaldet myopotentialer), der vises på overfladen af ​​en persons hud, når musklerne arbejder, til elektroniske bevægelseskommandoer. Eksoskelettet er ret let og vejer kun 30 kg uden batterier. Den vil understøtte en voksen, der vejer op til 100 kg.

2016 – ETH Technical University i Zürich, Schweiz, er vært for den første Cybathlon-sportskonkurrence for mennesker med handicap, der bruger hjælperobotter. En af disciplinerne var eksoskeletløbet på en forhindringsbane for personer med lammelser i underekstremiteterne. I denne demonstration af færdigheder og teknologi skulle brugere af eksoskelet udføre opgaver såsom at sidde på en sofa og rejse sig, gå på skråninger, træde på klipper (som når de krydser en lavvandet bjergflod) og gå op ad trapper. Det viste sig, at ingen var i stand til at mestre alle øvelserne, og det tog de hurtigste hold mere end 50 minutter at gennemføre den 8 meter lange forhindringsbane. Den næste begivenhed finder sted i 2020 som en indikator for udviklingen af ​​eksoskeletteknologi.

2019 – Under sommerdemonstrationer i Commando Training Center i Lympston, Storbritannien, viste Richard Browning, opfinder og administrerende direktør for Gravity Industries, sin Daedalus Mark 1 exoskeleton jetdragt frem, som gjorde et enormt indtryk på militæret, og ikke kun briterne. Seks små jetmotorer - to af dem er monteret bagpå og to i form af ekstra par på hver arm - giver dig mulighed for at klatre op til en højde på op til 600 m. Indtil videre er der kun brændstof nok til 10 minutter af flyvning...