Εξωσκελετοί
Αν και όλο και περισσότερα έχουν ακουστεί για τους εξωσκελετούς τελευταία, αποδεικνύεται ότι η ιστορία αυτής της εφεύρεσης χρονολογείται από τον δέκατο ένατο αιώνα. Μάθετε πώς έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια των δεκαετιών και πώς έμοιαζαν τα σημεία καμπής στην εξέλιξή του.
1. Εικονογράφηση από την πατέντα του Nikolai Yagn
1890 – Οι πρώτες καινοτόμες ιδέες για τη δημιουργία ενός εξωσκελετού χρονολογούνται από τον 1890ο αιώνα. Το 420179, ο Nicholas Yagn κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στις Ηνωμένες Πολιτείες (πατέντα Νο. US XNUMX A) "Μια συσκευή για διευκόλυνση του περπατήματος, του τρεξίματος και του άλματος" (1). Ήταν μια πανοπλία από ξύλο, σκοπός της οποίας ήταν να αυξήσει την ταχύτητα ενός πολεμιστή κατά τη διάρκεια μιας πορείας πολλών χιλιομέτρων. Το σχέδιο έγινε πηγή έμπνευσης για περαιτέρω αναζήτηση της βέλτιστης λύσης.
1961 - Στη δεκαετία του '60, η General Electric, μαζί με μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο του Comell, άρχισαν να εργάζονται για τη δημιουργία μιας ηλεκτροϋδραυλικής στολής που υποστηρίζει την ανθρώπινη άσκηση. Η συνεργασία με τον στρατό στο έργο Man Augmentation οδήγησε στην ανάπτυξη του Hardiman (2). Στόχος του έργου ήταν να δημιουργηθεί ένα κοστούμι που μιμείται τις φυσικές κινήσεις ενός ανθρώπου, επιτρέποντάς του να σηκώνει αντικείμενα βάρους σχεδόν 700 κιλών. Η ίδια η φορεσιά ζύγιζε το ίδιο, αλλά το απτό βάρος ήταν μόνο 20 κιλά.
2. Πρωτότυπος εναλλάκτης θερμότητας General Electric
Παρά την επιτυχία του έργου, αποδείχθηκε ότι η χρησιμότητά του ήταν αμελητέα και τα αρχικά αντίγραφα θα ήταν ακριβά. Οι επιλογές περιορισμένης κινητικότητάς τους και το περίπλοκο σύστημα ισχύος κατέστησαν τελικά αυτές τις συσκευές αχρησιμοποίητες. Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, αποδείχθηκε ότι ο Hardiman μπορεί να σηκώσει μόνο 350 κιλά και με παρατεταμένη χρήση έχει μια τάση για επικίνδυνες, ασυντόνιστες κινήσεις. Από την περαιτέρω ανάπτυξη του πρωτοτύπου, εγκαταλείφθηκε μόνο ένας βραχίονας - η συσκευή ζύγιζε περίπου 250 κιλά, αλλά ήταν εξίσου μη πρακτικό με τον προηγούμενο εξωσκελετό.
70. «Λόγω του μεγέθους, του βάρους, της αστάθειας και των προβλημάτων ισχύος, το Hardiman δεν μπήκε ποτέ στην παραγωγή, αλλά το βιομηχανικό Man-Mate χρησιμοποίησε κάποια τεχνολογία από τη δεκαετία του '60. Τα δικαιώματα για την τεχνολογία αγοράστηκαν από την Western Space and Marine, που ιδρύθηκε από έναν από τους μηχανικούς της GE. Το προϊόν έχει αναπτυχθεί περαιτέρω και σήμερα υπάρχει με τη μορφή ενός μεγάλου ρομποτικού βραχίονα που μπορεί να σηκώσει έως και 4500 κιλά χρησιμοποιώντας ανάδραση δύναμης, καθιστώντας το ιδανικό για τη βιομηχανία χάλυβα.
3. Εξωσκελετές που κατασκευάστηκαν στο Ινστιτούτο Mihailo Pupin στη Σερβία.
1972 – Οι πρώιμοι ενεργοί εξωσκελετές και τα ανθρωποειδή ρομπότ αναπτύχθηκαν στο Ινστιτούτο Mihailo Pupin στη Σερβία από μια ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή. Μιόμιρ Βουκομπράτοβιτς. Πρώτον, έχουν αναπτυχθεί συστήματα κίνησης των ποδιών για την υποστήριξη της αποκατάστασης ατόμων που πάσχουν από παραπληγία (3). Κατά την ανάπτυξη ενεργών εξωσκελετών, το ινστιτούτο ανέπτυξε επίσης μεθόδους για την ανάλυση και τον έλεγχο του ανθρώπινου βαδίσματος. Ορισμένες από αυτές τις προόδους έχουν συμβάλει στην ανάπτυξη των σημερινών ανθρωποειδών ρομπότ υψηλής απόδοσης. Το 1972, ένας ενεργός πνευματικός εξωσκελετός με ηλεκτρονικό προγραμματισμό για παράλυση των κάτω άκρων δοκιμάστηκε σε ορθοπεδική κλινική στο Βελιγράδι.
1985 «Ένας μηχανικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος κατασκευάζει έναν εξωσκελετό που ονομάζεται Pitman, πανοπλία ισχύος για πεζούς. Ο έλεγχος της συσκευής βασίστηκε σε αισθητήρες που σαρώνουν την επιφάνεια του κρανίου, τοποθετημένοι σε ειδικό κράνος. Δεδομένων των δυνατοτήτων της τεχνολογίας της εποχής, ήταν πολύ περίπλοκο σχέδιο για να κατασκευαστεί. Ο περιορισμός ήταν κυρίως η ανεπαρκής υπολογιστική ισχύς των υπολογιστών. Επιπλέον, η επεξεργασία των εγκεφαλικών σημάτων και η μετατροπή τους σε εξωσκελετικές κινήσεις παρέμενε τεχνικά πρακτικά αδύνατη εκείνη την εποχή.
4. Exoskeleton Lifesuit, σχεδιασμένο από τον Monty Reed.
1986 — Ο Μόντι Ριντ, στρατιώτης του αμερικανικού στρατού που έσπασε τη σπονδυλική του στήλη ενώ έκανε αλεξίπτωτο, αναπτύσσει έναν εξωσκελετό στολή επιβίωσης (4). Εμπνεύστηκε από τις περιγραφές των κινητών στολών πεζικού στο μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας του Robert Heinlein Starship Troopers, το οποίο διάβασε ενώ ανέρρωσε στο νοσοκομείο. Ωστόσο, ο Reed δεν άρχισε να εργάζεται στη συσκευή του μέχρι το 2001. Το 2005, δοκίμασε μια πρωτότυπη στολή διάσωσης 4,8 στον αγώνα του Αγίου Πατρικίου στο Σιάτλ της Ουάσιγκτον. Ο προγραμματιστής ισχυρίζεται ότι έχει σημειώσει ρεκόρ ταχύτητας περπατήματος σε στολές ρομπότ, καλύπτοντας 4 χιλιόμετρα με μέση ταχύτητα 14 χλμ./ώρα. Το πρωτότυπο Lifesuit 1,6 μπόρεσε να διανύσει 92 χιλιόμετρα πλήρως φορτισμένο και επέτρεψε να σηκώσει XNUMX κιλά.
1990-σήμερα - Το πρώτο πρωτότυπο του εξωσκελετού HAL προτάθηκε από τον Yoshiyuki Sankai (5), καθ. Πανεπιστήμιο της Τσουκούμπα. Ο Σανκάι πέρασε τρία χρόνια - από το 1990 έως το 1993 - εντοπίζοντας τους νευρώνες που ελέγχουν την κίνηση των ποδιών. Αυτός και η ομάδα του χρειάστηκαν άλλα τέσσερα χρόνια για να πρωτοτυπήσουν τον εξοπλισμό. Το τρίτο πρωτότυπο HAL, που αναπτύχθηκε στις αρχές του 22ου αιώνα, συνδέθηκε με έναν υπολογιστή. Η ίδια η μπαταρία ζύγιζε σχεδόν 5 κιλά, γεγονός που την έκανε πολύ μη πρακτική. Αντίθετα, το μεταγενέστερο μοντέλο HAL-10 ζύγιζε μόνο 5 κιλά και είχε την μπαταρία και τον υπολογιστή ελέγχου τυλιγμένα γύρω από τη μέση του χρήστη. Το HAL-XNUMX είναι επί του παρόντος ένας ιατρικός εξωσκελετός τεσσάρων άκρων (αν και είναι επίσης διαθέσιμη μια έκδοση μόνο για τα κάτω άκρα) που κατασκευάζεται από την ιαπωνική εταιρεία Cyberdyne Inc. σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Τσουκούμπα.
5. Ο καθηγητής Yoshiyuki Sankai παρουσιάζει ένα από τα μοντέλα εξωσκελετού.
Λειτουργεί περίπου 2 ώρες 40 λεπτά τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους. Βοηθά στην ανύψωση βαρέων αντικειμένων. Η θέση των χειριστηρίων και της κίνησης σε δοχεία μέσα στη θήκη επέτρεψε να απαλλαγούμε από το "σακίδιο πλάτης" τόσο χαρακτηριστικό των περισσότερων εξωσκελετών, που μερικές φορές μοιάζει με μεγάλο έντομο. Τα άτομα με υπέρταση, οστεοπόρωση και οποιαδήποτε καρδιακή πάθηση θα πρέπει να συμβουλευτούν έναν γιατρό πριν από τη χρήση του HAL και οι αντενδείξεις περιλαμβάνουν, αλλά δεν περιορίζονται σε, βηματοδότη και εγκυμοσύνη. Στο πλαίσιο του προγράμματος HAL FIT, ο κατασκευαστής προσφέρει τη δυνατότητα χρήσης συνεδριών θεραπείας με εξωσκελετό τόσο για άρρωστα όσο και για υγιή άτομα. Ο σχεδιαστής HAL ισχυρίζεται ότι τα επόμενα στάδια της αναβάθμισης θα επικεντρωθούν στη δημιουργία ενός λεπτού κοστουμιού που θα επιτρέπει στον χρήστη να κινείται ελεύθερα και ακόμη και να τρέχει.
2000 - καθ. Ο Homayoun Kazeruni και η ομάδα του στην Ekso Bionics αναπτύσσουν ένα Universal Human Cargo Carrier ή HULC (6) είναι ένας ασύρματος εξωσκελετός με υδραυλική κίνηση. Σκοπός του είναι να βοηθήσει τους αντιμαχόμενους στρατιώτες να μεταφέρουν φορτία βάρους έως 90 κιλά για μεγάλο χρονικό διάστημα, με μέγιστη ταχύτητα 16 km/h. Το σύστημα παρουσιάστηκε στο κοινό στο Χειμερινό Συμπόσιο της AUSA στις 26 Φεβρουαρίου 2009, όταν επιτεύχθηκε συμφωνία αδειοδότησης με τη Lockheed Martin. Το κυρίαρχο υλικό που χρησιμοποιείται σε αυτό το σχέδιο είναι το τιτάνιο, ένα ελαφρύ αλλά σχετικά ακριβό υλικό με υψηλές μηχανικές και ανθεκτικές ιδιότητες.
Ο εξωσκελετός είναι εξοπλισμένος με βεντούζες που σας επιτρέπουν να μεταφέρετε αντικείμενα βάρους έως 68 κιλά (ανυψωτική συσκευή). Τροφοδοτείται από τέσσερις μπαταρίες λιθίου-πολυμερούς, οι οποίες διασφαλίζουν την κανονική λειτουργία της συσκευής με βέλτιστο φορτίο έως και 20 ώρες. Ο εξωσκελετός δοκιμάστηκε σε διάφορες συνθήκες μάχης και με διάφορα φορτία. Μετά από μια σειρά επιτυχημένων πειραμάτων το φθινόπωρο του 2012, στάλθηκε στο Αφγανιστάν, όπου δοκιμάστηκε κατά τη διάρκεια ένοπλης σύγκρουσης. Παρά τις πολλές θετικές κριτικές, το έργο τέθηκε σε αναμονή. Όπως αποδείχθηκε, ο σχεδιασμός δυσκόλεψε την εκτέλεση ορισμένων κινήσεων και στην πραγματικότητα αύξησε το φορτίο στους μύες, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με τη γενική ιδέα της δημιουργίας του.
2001 – Το έργο Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), που αρχικά προοριζόταν κυρίως για τον στρατό, βρίσκεται σε εξέλιξη. Στο πλαίσιο του, έχουν επιτευχθεί πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα με τη μορφή αυτόνομων λύσεων πρακτικής σημασίας. Πρώτα απ 'όλα, δημιουργήθηκε μια ρομποτική συσκευή, που προσαρτήθηκε στο κάτω μέρος του σώματος για να δώσει στα πόδια επιπλέον δύναμη. Ο εξοπλισμός χρηματοδοτήθηκε από την Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) και αναπτύχθηκε από το Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, ένα τμήμα του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, στο Berkeley. Το σύστημα εξωσκελετών Berkeley δίνει στους στρατιώτες τη δυνατότητα να μεταφέρουν μεγάλα ωφέλιμα φορτία με ελάχιστη προσπάθεια και σε οποιοδήποτε είδος εδάφους, όπως τρόφιμα, εξοπλισμό διάσωσης, κιτ πρώτων βοηθειών, επικοινωνίες και όπλα. Εκτός από τις στρατιωτικές εφαρμογές, η BLEEX αναπτύσσει επί του παρόντος πολιτικά έργα. Το Εργαστήριο Ρομποτικής και Ανθρώπινης Μηχανικής διερευνά επί του παρόντος τις ακόλουθες λύσεις: ExoHiker - ένας εξωσκελετός σχεδιασμένος κυρίως για μέλη της αποστολής όπου υπάρχει ανάγκη μεταφοράς βαρέως εξοπλισμού, ExoClimber - εξοπλισμός για άτομα που αναρριχούνται σε ψηλούς λόφους, Ιατρικός εξωσκελετός - ένας εξωσκελετός για άτομα με αναπηρίες φυσικές δυνατότητες. διαταραχές κινητικότητας των κάτω άκρων.
8. Πρωτότυπο Sarcos XOS 2 σε δράση
το κείμενο
2010 – Εμφανίζεται το XOS 2 (8) είναι μια συνέχεια του εξωσκελετού XOS από το Sarcos. Πρώτα απ 'όλα, ο νέος σχεδιασμός έχει γίνει ελαφρύτερος και πιο αξιόπιστος, επιτρέποντάς σας να σηκώνετε φορτία βάρους έως και 90 kg σε στατικό. Η συσκευή μοιάζει με cyborg. Ο έλεγχος βασίζεται σε τριάντα ενεργοποιητές που λειτουργούν σαν τεχνητοί σύνδεσμοι. Ο εξωσκελετός περιέχει αρκετούς αισθητήρες που μεταδίδουν σήματα στους ενεργοποιητές μέσω ενός υπολογιστή. Με αυτόν τον τρόπο πραγματοποιείται ομαλή και συνεχής λειτουργία και ο χρήστης δεν αισθάνεται καμία σημαντική προσπάθεια. Το βάρος του XOS είναι 68 κιλά.
2011-σήμερα – Ο Οργανισμός Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (FDA) εγκρίνει τον ιατρικό εξωσκελετό ReWalk (9). Είναι ένα σύστημα που χρησιμοποιεί στοιχεία δύναμης για την ενίσχυση των ποδιών και επιτρέπει στα άτομα με παράλυση να στέκονται όρθια, να περπατούν και να ανεβαίνουν σκάλες. Η ενέργεια παρέχεται από μια μπαταρία σακιδίου. Ο έλεγχος πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα απλό τηλεχειριστήριο χειρός που ανιχνεύει και διορθώνει τις κινήσεις του χρήστη. Το όλο σχέδιο σχεδιάστηκε από τον Amit Goffer του Ισραήλ και πωλείται από την ReWalk Robotics Ltd (αρχικά Argo Medical Technologies) για περίπου 85 PLN. δολάρια.
9 άτομα περπατούν στους εξωσκελετούς του ReWalk
Κατά τη στιγμή της κυκλοφορίας, ο εξοπλισμός ήταν διαθέσιμος σε δύο εκδόσεις - ReWalk I και ReWalk P. Η πρώτη χρησιμοποιείται από ιατρικά ιδρύματα για ερευνητικούς ή θεραπευτικούς σκοπούς υπό την επίβλεψη ιατρού. Το ReWalk P προορίζεται για προσωπική χρήση από ασθενείς στο σπίτι ή σε δημόσιους χώρους. Τον Ιανουάριο του 2013, κυκλοφόρησε μια ενημερωμένη έκδοση του ReWalk Rehabilitation 2.0. Αυτό βελτίωσε την εφαρμογή για ψηλότερα άτομα και βελτίωσε το λογισμικό ελέγχου. Το ReWalk απαιτεί από τον χρήστη να χρησιμοποιεί πατερίτσες. Ως αντενδείξεις αναφέρονται τα καρδιαγγειακά νοσήματα και η ευθραυστότητα των οστών. Ο περιορισμός είναι επίσης η ανάπτυξη, εντός 1,6-1,9 m, και το σωματικό βάρος έως 100 κιλά. Αυτός είναι ο μόνος εξωσκελετός στον οποίο μπορείς να οδηγήσεις αυτοκίνητο.
10. Ex Bionics eLEGS
2012 Η Ekso Bionics, παλαιότερα γνωστή ως Berkeley Bionics, αποκαλύπτει τον ιατρικό εξωσκελετό της. Το έργο ξεκίνησε δύο χρόνια νωρίτερα με το όνομα eLEGS (10), και προοριζόταν για την αποκατάσταση ατόμων με διάφορους βαθμούς παράλυσης. Όπως το ReWalk, η κατασκευή απαιτεί τη χρήση πατερίτσες. Η μπαταρία παρέχει ενέργεια για τουλάχιστον έξι ώρες χρήσης. Το σετ Exo κοστίζει περίπου 100 χιλιάδες. δολάρια. Στην Πολωνία, είναι γνωστό το έργο του εξωσκελετού Ekso GT, μιας ιατρικής συσκευής που έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί με νευρολογικούς ασθενείς. Ο σχεδιασμός του επιτρέπει το περπάτημα, συμπεριλαμβανομένων ατόμων μετά από εγκεφαλικά επεισόδια, τραυματισμούς του νωτιαίου μυελού, ασθενείς με σκλήρυνση κατά πλάκας ή με σύνδρομο Guillain-Barré. Ο εξοπλισμός μπορεί να λειτουργήσει με πολλούς διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, ανάλογα με τον βαθμό δυσλειτουργίας του ασθενούς.
2013 – Το Mindwalker, ένα έργο εξωσκελετού που ελέγχεται από το μυαλό, λαμβάνει χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Το σχέδιο είναι το αποτέλεσμα μιας συνεργασίας επιστημόνων από το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο των Βρυξελλών και το Ίδρυμα Santa Lucia στην Ιταλία. Οι ερευνητές δοκίμασαν διαφορετικούς τρόπους ελέγχου της συσκευής - πιστεύουν ότι η διεπαφή εγκεφάλου-νευρο-υπολογιστή (BNCI) λειτουργεί καλύτερα, η οποία σας επιτρέπει να την ελέγχετε με σκέψεις. Τα σήματα περνούν μεταξύ του εγκεφάλου και του υπολογιστή, παρακάμπτοντας τον νωτιαίο μυελό. Το Mindwalker μετατρέπει τα σήματα EMG, δηλαδή μικρά δυναμικά (που ονομάζονται μυοδυναμικά) που εμφανίζονται στην επιφάνεια του δέρματος ενός ατόμου όταν οι μύες λειτουργούν, σε ηλεκτρονικές εντολές κίνησης. Ο εξωσκελετός είναι αρκετά ελαφρύς, ζυγίζει μόνο 30 κιλά χωρίς μπαταρίες. Θα υποστηρίξει έναν ενήλικα με βάρος έως 100 κιλά.
2016 – Το Τεχνικό Πανεπιστήμιο ETH στη Ζυρίχη της Ελβετίας φιλοξενεί τον πρώτο αθλητικό διαγωνισμό Cybathlon για άτομα με αναπηρία με χρήση βοηθητικών ρομπότ. Ένας από τους κλάδους ήταν ο αγώνας εξωσκελετών σε μια διαδρομή με εμπόδια για άτομα με παράλυση των κάτω άκρων. Σε αυτήν την επίδειξη δεξιοτήτων και τεχνολογίας, οι χρήστες εξωσκελετών έπρεπε να εκτελούν εργασίες όπως κάθονται σε έναν καναπέ και σηκώνονται, περπατούν σε πλαγιές, πατούν σε βράχους (όπως όταν διασχίζουν ένα ρηχό ορεινό ποτάμι) και ανεβαίνουν σκάλες. Αποδείχθηκε ότι κανείς δεν ήταν σε θέση να κατακτήσει όλες τις ασκήσεις και χρειάστηκαν οι ταχύτερες ομάδες περισσότερα από 50 λεπτά για να ολοκληρώσουν τη διαδρομή εμποδίων 8 μέτρων. Η επόμενη εκδήλωση θα πραγματοποιηθεί το 2020 ως δείκτης ανάπτυξης της τεχνολογίας εξωσκελετών.
2019 – Κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών επιδείξεων στο Κέντρο Εκπαίδευσης Commando στο Lympston του Ηνωμένου Βασιλείου, ο Richard Browning, εφευρέτης και Διευθύνων Σύμβουλος της Gravity Industries, έδειξε την εξωσκελετική του στολή Daedalus Mark 1, η οποία έκανε τεράστια εντύπωση στον στρατό και όχι μόνο στους Βρετανούς. Έξι μικροί κινητήρες τζετ - δύο από αυτούς είναι εγκατεστημένοι στο πίσω μέρος και δύο με τη μορφή πρόσθετων ζευγών σε κάθε βραχίονα - σας επιτρέπουν να ανεβείτε σε ύψος έως και 600 μ. Μέχρι στιγμής, υπάρχει αρκετό καύσιμο μόνο για 10 λεπτά πτήση...
