Egzoszkielety

Choć ostatnio coraz więcej słyszymy o egzoszkieletach, okazuje się, że historia tego wynalazku sięga XIX wieku. Dowiedz się, jak zmieniał się na przestrzeni dziesięcioleci i jak wyglądały punkty zwrotne w jego ewolucji. 

1. Ilustracja z patentu Mikołaja Jagny

1890 – Pierwsze nowatorskie pomysły na stworzenie egzoszkieletu sięgają XIX wieku. W 1890 roku Nicholas Yagn opatentował w Stanach Zjednoczonych (patent nr US 420179 A) „Urządzenie ułatwiające chodzenie, bieganie i skakanie” (1). Była to zbroja wykonana z drewna, której zadaniem było zwiększenie prędkości wojownika podczas wielokilometrowego marszu. Projekt stał się źródłem inspiracji do dalszych poszukiwań optymalnego rozwiązania.

1961 - W latach 60. General Electric wraz z grupą naukowców z Uniwersytetu w Comell rozpoczął prace nad stworzeniem elektrohydraulicznego kombinezonu wspomagającego ćwiczenia człowieka. Współpraca z wojskiem nad projektem Man Augmentation doprowadziła do opracowania Hardimana (2). Celem projektu było stworzenie kombinezonu imitującego naturalne ruchy człowieka, umożliwiającego podnoszenie przedmiotów o masie niemal 700 kg. Sam kombinezon ważył tyle samo, ale namacalna waga wynosiła tylko 20 kg.

2. Prototyp wymiennika ciepła General Electric

Pomimo sukcesu projektu okazało się, że jego użyteczność jest znikoma, a pierwsze egzemplarze będą drogie. Ich ograniczone opcje mobilności i złożone systemy zasilania ostatecznie sprawiły, że urządzenia te stały się bezużyteczne. Podczas testów stwierdzono, że Hardiman może unieść jedynie 350 kg, a przy długotrwałym użytkowaniu ma tendencję do wykonywania niebezpiecznych, nieskoordynowanych ruchów. Z dalszego rozwoju prototypu zrezygnowano tylko z jednego ramienia – urządzenie ważyło około 250 kg, ale było równie niepraktyczne jak poprzedni egzoszkielet.

70. „Ze względu na swój rozmiar, wagę, niestabilność i problemy z zasilaniem Hardiman nigdy nie wszedł do produkcji, ale przemysłowy Man-Mate wykorzystywał technologię z lat 60. Prawa do technologii kupiła firma Western Space and Marine, założona przez jednego z inżynierów GE. Produkt został udoskonalony i obecnie istnieje w postaci dużego ramienia robota, które może podnieść do 4500 kg przy użyciu sprzężenia zwrotnego siły, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla przemysłu stalowego.

3. Egzoszkielety zbudowane w Instytucie Mihajlo Pupina w Serbii.

1972 – Wczesne aktywne egzoszkielety i roboty humanoidalne zostały opracowane w Instytucie Mihailo Pupina w Serbii przez grupę kierowaną przez prof. Miomir Wukobratowicz. Po pierwsze, opracowano systemy ruchu nóg, aby wspomagać rehabilitację osób cierpiących na paraplegię (3). Opracowując aktywne egzoszkielety, instytut opracował także metody analizy i kontrolowania ludzkiego chodu. Niektóre z tych osiągnięć przyczyniły się do rozwoju dzisiejszych robotów humanoidalnych o wysokiej wydajności. W 1972 roku w klinice ortopedycznej w Belgradzie przetestowano aktywny egzoszkielet z napędem pneumatycznym i elektronicznym programowaniem dla paraplegików.

1985 „Inżynier z Los Alamos National Laboratory buduje egzoszkielet zwany Pitmanem, zbroję wspomaganą dla piechoty. Sterowanie urządzeniem opierało się na czujnikach skanujących powierzchnię czaszki, umieszczonych w specjalnym hełmie. Biorąc pod uwagę możliwości ówczesnej technologii, był to zbyt skomplikowany projekt, aby go wyprodukować. Ograniczeniem była przede wszystkim niewystarczająca moc obliczeniowa komputerów. Ponadto przetwarzanie sygnałów mózgowych i przekształcanie ich w ruchy egzoszkieletu pozostawało wówczas technicznie praktycznie niemożliwe.

4. Egzoszkielet skafandra ratunkowego zaprojektowany przez Monty'ego Reeda.

1986 — Monty Reed, żołnierz armii amerykańskiej, który podczas skoku ze spadochronem złamał kręgosłup, opracowuje egzoszkielet kombinezonu ratunkowego (4). Inspiracją dla niego były opisy mobilnych kombinezonów piechoty z powieści science fiction Roberta Heinleina Starship Troopers, którą przeczytał podczas rekonwalescencji w szpitalu. Jednak Reed rozpoczął prace nad swoim urządzeniem dopiero w 2001 roku. W 2005 roku przetestował prototyp kombinezonu ratunkowego o średnicy 4,8 podczas wyścigu z okazji Dnia Świętego Patryka w Seattle w stanie Waszyngton. Deweloper twierdzi, że ustanowił rekord prędkości chodzenia w kombinezonach robota, pokonując 4 kilometry ze średnią prędkością 14 km/h. Prototyp Lifesuit 1,6 w pełni naładowany był w stanie przejechać 92 km i unieść XNUMX kg.

1990-obecnie - Pierwszy prototyp egzoszkieletu HAL został zaproponowany przez Yoshiyuki Sankai (5), prof. Uniwersytet w Tsukubie. Sankai spędził trzy lata, od 1990 do 1993, na identyfikacji neuronów kontrolujących ruch nóg. Stworzenie prototypu sprzętu zajęło jemu i jego zespołowi kolejne cztery lata. Trzeci prototyp HAL, opracowany na początku XXII wieku, był podłączony do komputera. Sam akumulator ważył prawie 22kg, przez co był bardzo niepraktyczny. Natomiast późniejszy model HAL-5 ważył zaledwie 10 kg, a akumulator i komputer sterujący owinięto wokół talii użytkownika. HAL-5 to obecnie czteroramienny egzoszkielet medyczny (choć dostępna jest również wersja wyłącznie na kończynę dolną) produkowany przez japońską firmę Cyberdyne Inc. we współpracy z Uniwersytetem w Tsukubie.

5. Profesor Yoshiyuki Sankai prezentuje jeden z modeli egzoszkieletu.

Działa około 2 godzin 40 minut zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. Pomaga podnosić ciężkie przedmioty. Rozmieszczenie elementów sterujących i napędowych w pojemnikach wewnątrz korpusu pozwoliło pozbyć się tak charakterystycznego dla większości egzoszkieletów „plecaka”, czasami przypominającego dużego owada. Osoby cierpiące na nadciśnienie, osteoporozę i jakąkolwiek chorobę serca powinny skonsultować się z lekarzem przed zastosowaniem HAL, a przeciwwskazania obejmują między innymi rozrusznik serca i ciążę. W ramach programu HAL FIT producent oferuje możliwość skorzystania z sesji terapeutycznych z egzoszkieletem zarówno dla osób chorych, jak i zdrowych. Projektant HAL twierdzi, że kolejne etapy modernizacji będą miały na celu stworzenie cienkiego kombinezonu, który umożliwi użytkownikowi swobodne poruszanie się, a nawet bieganie. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni i jego zespół w Ekso Bionics opracowują Universal Human Cargo Carrier, czyli HULC (6) to bezprzewodowy egzoszkielet z napędem hydraulicznym. Jego zadaniem jest umożliwienie walczącym żołnierzom przenoszenia ładunków o masie do 90 kg przez długi czas, z maksymalną prędkością 16 km/h. System został zaprezentowany publicznie podczas Zimowego Sympozjum AUSA w dniu 26 lutego 2009 r., kiedy osiągnięto umowę licencyjną z firmą Lockheed Martin. Dominującym materiałem zastosowanym w tej konstrukcji jest tytan, lekki, ale stosunkowo drogi materiał o wysokich właściwościach mechanicznych i wytrzymałościowych.

Egzoszkielet wyposażony jest w przyssawki, które umożliwiają przenoszenie przedmiotów o wadze do 68 kg (urządzenie podnoszące). Zasilanie zapewniają cztery akumulatory litowo-polimerowe, które zapewniają normalną pracę urządzenia przy optymalnym obciążeniu aż do 20 godzin. Egzoszkielet był testowany w różnych warunkach bojowych i przy różnych obciążeniach. Po serii udanych eksperymentów jesienią 2012 roku został wysłany do Afganistanu, gdzie przeszedł testy w czasie konfliktu zbrojnego. Pomimo wielu pozytywnych recenzji projekt został zawieszony. Jak się okazało, konstrukcja utrudniała wykonywanie określonych ruchów i faktycznie zwiększała obciążenie mięśni, co przeczyło ogólnej idei jej powstania.

2001 - Trwa projekt Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), pierwotnie przeznaczony głównie dla wojska. W jego ramach osiągnięto obiecujące rezultaty w postaci autonomicznych rozwiązań o praktycznym znaczeniu. Przede wszystkim stworzono zrobotyzowane urządzenie, przymocowane do dolnej części ciała, aby nadać nogom dodatkową siłę. Sprzęt został sfinansowany przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obronie (DARPA) i opracowany przez Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, oddział Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Kalifornijskiego. System egzoszkieletu Berkeley daje żołnierzom możliwość przenoszenia dużych ładunków przy minimalnym wysiłku i na każdym rodzaju terenu, takich jak żywność, sprzęt ratowniczy, apteczki, łączność i broń. Oprócz zastosowań wojskowych BLEEX rozwija obecnie projekty cywilne. Laboratorium Robotyki i Inżynierii Człowieka bada obecnie następujące rozwiązania: ExoHiker - egzoszkielet przeznaczony głównie dla członków ekspedycji, gdzie istnieje potrzeba transportu ciężkiego sprzętu, ExoClimber - sprzęt dla osób wspinających się na wysokie wzniesienia, Medical Exoskeleton - egzoszkielet dla osób niepełnosprawnych możliwości fizyczne. zaburzenia ruchomości kończyn dolnych.

8. Prototyp Sarcos XOS 2 w akcji

текст

2010 – Pojawia się XOS 2 (8) jest kontynuacją egzoszkieletu XOS firmy Sarcos. Przede wszystkim nowa konstrukcja stała się lżejsza i bardziej niezawodna, umożliwiając statyczne podnoszenie ładunków o masie do 90 kg. Urządzenie przypomina cyborga. Sterowanie opiera się na trzydziestu siłownikach, które działają jak sztuczne stawy. Egzoszkielet zawiera kilka czujników, które przesyłają sygnały do ​​siłowników za pośrednictwem komputera. Dzięki temu płynna i ciągła kontrola odbywa się bez odczuwania przez użytkownika większego wysiłku. XOS waży 68 kg.

2011-obecnie – Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) zatwierdza egzoszkielet medyczny ReWalk (9). Jest to system wykorzystujący elementy siłowe do wzmacniania nóg i umożliwiający paraplegikom stanie w pozycji pionowej, chodzenie i wchodzenie po schodach. Energię zapewnia akumulator plecakowy. Sterowanie odbywa się za pomocą prostego, ręcznego pilota, który wykrywa i koryguje ruchy użytkownika. Całość została opracowana przez Amita Goffera z Izraela i sprzedawana przez firmę ReWalk Robotics Ltd (pierwotnie Argo Medical Technologies) za ok. 85 tys. zł. dolarów.

9. Ludzie chodzą w egzoszkieletach ReWalk

W momencie premiery sprzęt dostępny był w dwóch wersjach – ReWalk I i ReWalk P. Pierwsza wykorzystywana jest przez instytucje medyczne w celach badawczych lub terapeutycznych pod nadzorem lekarza. ReWalk P jest przeznaczony do użytku osobistego przez pacjentów w domu lub w miejscach publicznych. W styczniu 2013 roku ukazała się zaktualizowana wersja ReWalk Rehabilitation 2.0. Poprawiło to pozycję siedzącą dla wyższych osób i ulepszyło oprogramowanie sterujące. ReWalk wymaga od użytkownika użycia kul. Jako przeciwwskazania wymienia się choroby układu krążenia i łamliwość kości. Ograniczeniami są także wzrost w granicach 1,6-1,9 m i masa ciała do 100 kg. To jedyny egzoszkielet, w którym można prowadzić samochód.

10. eLEGS od Ex Bionics

2012 Ekso Bionics, wcześniej znany jako Berkeley Bionics, przedstawia swój medyczny egzoszkielet. Projekt wystartował dwa lata wcześniej pod nazwą eLEGS (10) i przeznaczony był do rehabilitacji osób z różnym stopniem porażenia. Podobnie jak ReWalk, konstrukcja wymaga użycia kul. Bateria zapewnia energię na co najmniej sześć godzin pracy. Zestaw Exo kosztuje około 100 tys. dolarów. W Polsce znany jest projekt egzoszkieletu Ekso GT – urządzenia medycznego przeznaczonego do pracy z pacjentami neurologicznymi. Jego konstrukcja umożliwia chodzenie także osobom po udarach, urazach rdzenia kręgowego, pacjentom ze stwardnieniem rozsianym czy zespołem Guillain-Barre. Sprzęt może pracować w kilku różnych trybach, w zależności od stopnia dysfunkcji pacjenta.

2013 – Mindwalker, kontrolowany umysłowo projekt egzoszkieletu, otrzymuje dofinansowanie z Unii Europejskiej. Projekt jest wynikiem współpracy naukowców z Wolnego Uniwersytetu w Brukseli i Fundacji Santa Lucia we Włoszech. Badacze testowali różne sposoby sterowania urządzeniem - ich zdaniem najlepiej działa interfejs mózg-neuro-komputer (BNCI), który pozwala sterować nim za pomocą myśli. Sygnały przechodzą między mózgiem a komputerem, omijając rdzeń kręgowy. Mindwalker przetwarza sygnały EMG, czyli małe potencjały (zwane miopotencjałami), które pojawiają się na powierzchni skóry człowieka podczas pracy mięśni, na elektroniczne polecenia ruchu. Egzoszkielet jest dość lekki, waży zaledwie 30 kg bez baterii. Utrzyma osobę dorosłą o wadze do 100 kg.

2016 – Uniwersytet Techniczny ETH w Zurychu w Szwajcarii jest gospodarzem pierwszych zawodów sportowych Cybathlon dla osób niepełnosprawnych z wykorzystaniem robotów wspomagających. Jedną z dyscyplin był bieg egzoszkieletu na torze przeszkód dla osób z porażeniem kończyn dolnych. Podczas tego pokazu umiejętności i technologii użytkownicy egzoszkieletów musieli wykonywać zadania, takie jak siedzenie na kanapie i wstawanie, chodzenie po zboczach, stąpanie po skałach (jak podczas przekraczania płytkiej górskiej rzeki) i wchodzenie po schodach. Okazało się, że nikt nie jest w stanie opanować wszystkich ćwiczeń, a pokonanie 50-metrowego toru przeszkód zajęło najszybszym zespołom ponad 8 minut. Kolejne wydarzenie odbędzie się w 2020 roku jako wskaźnik rozwoju technologii egzoszkieletów.

2019 – Podczas letnich demonstracji w Commando Training Center w Lympston w Wielkiej Brytanii Richard Browning, wynalazca i dyrektor generalny Gravity Industries, popisał się swoim egzoszkieletem odrzutowym Daedalus Mark 1, który zrobił ogromne wrażenie na wojsku i nie tylko Brytyjczykach. Sześć małych silników odrzutowych - dwa z nich są zainstalowane z tyłu i dwa w postaci dodatkowych par na każdym ramieniu - pozwalają wznieść się na wysokość nawet 600 m. Na razie paliwa starczy tylko na 10 minut lotu. lot ...