Egzoskeleti

Iako se u posljednje vrijeme sve više čuje o egzoskeletima, pokazalo se da povijest ovog izuma seže u devetnaesto stoljeće. Saznajte kako se mijenjao kroz desetljeća i kako su izgledale prekretnice u njegovom razvoju. 

1. Ilustracija iz patenta Nikolaja Yagna

1890 – Prve inovativne ideje za izradu egzoskeleta datiraju iz 1890. stoljeća. Godine 420179. Nicholas Yagn patentirao je u Sjedinjenim Državama (patent br. US XNUMX A) "Napravu za olakšavanje hodanja, trčanja i skakanja" (1). Bio je to oklop izrađen od drveta, čija je svrha bila povećati brzinu ratnika tijekom višekilometarskog marša. Dizajn je postao izvor inspiracije za daljnju potragu za optimalnim rješenjem.

1961 - U 60-ima General Electric je zajedno sa skupinom znanstvenika sa Sveučilišta Comell započeo rad na stvaranju elektrohidrauličkog odijela koje podržava ljudsku tjelovježbu. Suradnja s vojskom na projektu povećanja čovjeka dovela je do razvoja Hardimana (2). Cilj projekta bio je stvoriti odijelo koje oponaša prirodne pokrete čovjeka, omogućujući mu podizanje predmeta teških gotovo 700 kg. Sam kostim je težio isto, ali je opipljiva težina bila samo 20 kg.

2. General Electric prototip izmjenjivača topline

Unatoč uspjehu projekta, pokazalo se da je njegova korisnost zanemariva, a početni primjerci bit će skupi. Njihove ograničene mogućnosti mobilnosti i složen sustav napajanja na kraju su ove uređaje učinili neupotrebljivima. Tijekom testiranja pokazalo se da Hardiman može podići samo 350 kg, a kod dužeg korištenja ima sklonost opasnim, nekoordiniranim pokretima. Od daljnjeg razvoja prototipa odustala je samo jedna ruka - uređaj je težio oko 250 kg, ali je bio jednako nepraktičan kao i prethodni egzoskelet.

70 “Zbog svoje veličine, težine, nestabilnosti i problema s napajanjem, Hardiman nikada nije krenuo u proizvodnju, ali industrijski Man-Mate koristio je neke tehnologije iz 60-ih. Prava na tehnologiju kupila je tvrtka Western Space and Marine koju je osnovao jedan od inženjera GE-a. Proizvod je dalje razvijen i danas postoji u obliku velike robotske ruke koja može podići do 4500 kg koristeći povratnu silu, što ga čini idealnim za industriju čelika.

3. Egzoskeleti izgrađeni u Institutu Mihailo Pupin u Srbiji.

1972 – Rane aktivne egzoskelete i humanoidne robote razvila je na Institutu Mihailo Pupin u Srbiji grupa pod vodstvom prof. Miomir Vukobratovich. Prvo, sustavi za kretanje nogu razvijeni su za podršku rehabilitaciji osoba koje pate od paraplegije (3). Pri razvoju aktivnih egzoskeleta institut je razvio i metode za analizu i kontrolu ljudskog hoda. Neka od tih dostignuća pridonijela su razvoju današnjih humanoidnih robota visokih performansi. Godine 1972. na ortopedskoj klinici u Beogradu testiran je aktivni pneumatski egzoskelet s elektroničkim programiranjem za paralizu donjih ekstremiteta.

1985 “Inženjer u Nacionalnom laboratoriju Los Alamos gradi egzoskelet nazvan Pitman, moćni oklop za pješake. Upravljanje uređajem temeljilo se na senzorima koji skeniraju površinu lubanje, smještenih u posebnu kacigu. S obzirom na mogućnosti tadašnje tehnologije, bio je to presložen dizajn za proizvodnju. Ograničenje je prvenstveno bila nedovoljna računalna snaga računala. Osim toga, obrada moždanih signala i njihovo pretvaranje u pokrete egzoskeleta u to je vrijeme ostalo tehnički praktički nemoguće.

4. Odijelo za spašavanje egzoskeleta, koje je dizajnirao Monty Reed.

1986 — Monty Reed, vojnik američke vojske koji je slomio kralježnicu tijekom skoka s padobranom, razvija egzoskelet odijela za preživljavanje (4). Inspirirali su ga opisi mobilnih pješačkih odijela u znanstvenofantastičnom romanu Roberta Heinleina Starship Troopers, koji je pročitao dok se oporavljao u bolnici. Međutim, Reed je počeo raditi na svom uređaju tek 2001. godine. Godine 2005. testirao je prototip 4,8 spasilačkog odijela na utrci za Dan svetog Patrika u Seattleu, Washington. Programer tvrdi da je postavio rekord u brzini hodanja u robotskim odijelima, prešavši 4 kilometra prosječnom brzinom od 14 km/h. Prototip Lifesuit 1,6 mogao je prijeći 92 km potpuno napunjen i mogao je podići XNUMX kg.

1990-danas - Prvi prototip HAL egzoskeleta predložio je Yoshiyuki Sankai (5), prof. Sveučilište Tsukuba. Sankai je proveo tri godine - od 1990. do 1993. - identificirajući neurone koji kontroliraju pokrete nogu. Njemu i njegovom timu trebale su još četiri godine da naprave prototip opreme. Treći prototip HAL-a, razvijen početkom 22. stoljeća, bio je povezan s računalom. Sama baterija je bila teška skoro 5 kg, što ju je činilo vrlo nepraktičnom. Nasuprot tome, kasniji model HAL-10 težio je samo 5 kg i imao je bateriju i upravljačko računalo omotano oko struka korisnika. HAL-XNUMX je trenutačno medicinski egzoskelet s četiri uda (iako je dostupna i verzija samo za donje udove) koju proizvodi japanska tvrtka Cyberdyne Inc. u suradnji sa Sveučilištem Tsukuba.

5. Profesor Yoshiyuki Sankai predstavlja jedan od modela egzoskeleta.

Radi otprilike 2 sata i 40 minuta u zatvorenom i na otvorenom. Pomaže pri dizanju teških predmeta. Položaj kontrola i pogona u spremnicima unutar kućišta omogućio je da se riješite "naprtnjače" tako karakteristične za većinu egzoskeleta, ponekad nalik velikom kukcu. Osobe s hipertenzijom, osteoporozom i bilo kojim srčanim oboljenjem trebaju se posavjetovati s liječnikom prije korištenja HAL-a, a kontraindikacije uključuju, ali nisu ograničene na, srčani stimulator i trudnoću. U sklopu programa HAL FIT proizvođač nudi mogućnost korištenja tretmana egzoskeletom za bolesne i zdrave osobe. Dizajner HAL tvrdi da će se sljedeće faze nadogradnje fokusirati na stvaranje tankog odijela koje će korisniku omogućiti slobodno kretanje, pa čak i trčanje. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni i njegov tim u Ekso Bionicsu razvijaju Universal Human Cargo Carrier ili HULC (6) je bežični egzoskelet s hidrauličkim pogonom. Njegova je svrha pomoći zaraćenim vojnicima da dugotrajno nose terete težine do 90 kg, maksimalnom brzinom od 16 km/h. Sustav je javnosti predstavljen na AUSA Winter Symposiumu 26. veljače 2009., kada je s Lockheed Martinom postignut ugovor o licenciranju. Dominantni materijal korišten u ovom dizajnu je titan, lagan, ali relativno skup materijal s visokim mehaničkim svojstvima i čvrstoćom.

Egzoskelet je opremljen vakuumskim čašicama koje omogućuju nošenje predmeta težine do 68 kg (uređaj za podizanje). Napajanje se napaja iz četiri litij-polimerske baterije, koje osiguravaju normalan rad uređaja pri optimalnom opterećenju do 20 sati. Egzoskelet je testiran u različitim borbenim uvjetima i s različitim opterećenjima. Nakon niza uspješnih eksperimenata u jesen 2012. poslan je u Afganistan, gdje je testiran tijekom oružanog sukoba. Unatoč mnogim pozitivnim kritikama, projekt je stavljen na čekanje. Kako se pokazalo, dizajn je otežavao izvođenje određenih pokreta i zapravo povećavao opterećenje mišića, što je u suprotnosti s općom idejom njegovog stvaranja.

2001 – U tijeku je projekt Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), izvorno namijenjen uglavnom vojsci. U njegovom okviru postignuti su obećavajući rezultati u vidu autonomnih rješenja od praktičnog značaja. Prije svega, stvoren je robotski uređaj, pričvršćen za donji dio tijela kako bi noge dobile dodatnu snagu. Opremu je financirala Agencija za napredne obrambene istraživačke projekte (DARPA), a razvio ju je Laboratorij za robotiku i ljudski inženjering Berkeley, odjel Kalifornijskog sveučilišta, Odjel za strojarstvo Berkeley. Egzoskeletni sustav Berkeley daje vojnicima mogućnost nošenja velikih tereta uz minimalan napor i preko bilo koje vrste terena, poput hrane, opreme za spašavanje, kompleta prve pomoći, komunikacija i oružja. Osim vojnih aplikacija, BLEEX trenutno razvija i civilne projekte. Laboratorij za robotiku i ljudski inženjering trenutno istražuje sljedeća rješenja: ExoHiker - egzoskelet namijenjen uglavnom članovima ekspedicija gdje postoji potreba za prijevozom teške opreme, ExoClimber - oprema za ljude koji se penju na visoka brda, Medical Exoskeleton - egzoskelet za osobe s invaliditetom fizičke mogućnosti. poremećaji pokretljivosti donjih ekstremiteta.

8. Prototip Sarcos XOS 2 u akciji

tekst

2010 – pojavljuje se XOS 2 (8) je nastavak egzoskeleta XOS iz Sarcosa. Prije svega, novi dizajn postao je lakši i pouzdaniji, omogućujući vam podizanje tereta težine do 90 kg u statičnom stanju. Uređaj podsjeća na kiborga. Upravljanje se temelji na trideset pokretača koji djeluju poput umjetnih zglobova. Egzoskelet sadrži nekoliko senzora koji prenose signale aktuatorima putem računala. Na taj način se odvija nesmetan i kontinuiran rad, a korisnik ne osjeća nikakav značajan napor. Težina XOS-a je 68 kg.

2011-danas – Američka agencija za hranu i lijekove (FDA) odobrava medicinski egzoskelet ReWalk (9). Riječ je o sustavu koji koristi elemente snage za jačanje nogu i omogućava osobama s paralizom uspravno stajanje, hodanje i penjanje stepenicama. Energiju osigurava ruksak baterija. Upravljanje se provodi pomoću jednostavnog ručnog daljinskog upravljača koji detektira i ispravlja pokrete korisnika. Cijelu stvar dizajnirao je Amit Goffer iz Izraela, a prodaje je ReWalk Robotics Ltd (izvorno Argo Medical Technologies) za oko 85 PLN. dolara.

9 ljudi hoda u ReWalk egzoskeletima

U trenutku izlaska oprema je bila dostupna u dvije verzije - ReWalk I i ReWalk P. Prvu koriste medicinske ustanove u istraživačke ili terapeutske svrhe pod nadzorom medicinskog stručnjaka. ReWalk P namijenjen je osobnoj upotrebi pacijenata kod kuće ili na javnim mjestima. U siječnju 2013. objavljena je ažurirana verzija ReWalk Rehabilitation 2.0. Time je poboljšana prilagodba višim osobama i poboljšan upravljački softver. ReWalk zahtijeva od korisnika korištenje štaka. Kao kontraindikacije spominju se kardiovaskularne bolesti i krhkost kostiju. Ograničenje je i rast, unutar 1,6-1,9 m, i tjelesna težina do 100 kg. Ovo je jedini egzoskelet u kojem možete voziti automobil.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, prije poznat kao Berkeley Bionics, predstavlja svoj medicinski egzoskelet. Projekt je započeo dvije godine ranije pod nazivom eLEGS (10), a bila je namijenjena rehabilitaciji osoba s različitim stupnjevima paralize. Kao i ReWalk, konstrukcija zahtijeva korištenje štaka. Baterija daje energiju za najmanje šest sati korištenja. Exo set košta oko 100 tisuća kuna. dolara. U Poljskoj je poznat projekt egzoskeleta Ekso GT, medicinskog uređaja namijenjenog radu s neurološkim pacijentima. Njegov dizajn omogućuje hodanje, uključujući osobe nakon moždanog udara, ozljede leđne moždine, pacijente s multiplom sklerozom ili s Guillain-Barréovim sindromom. Oprema može raditi u nekoliko različitih načina, ovisno o stupnju disfunkcije pacijenta.

2013 – Mindwalker, projekt umom kontroliranog egzoskeleta, dobiva sredstva od Europske unije. Dizajn je rezultat suradnje znanstvenika sa Slobodnog sveučilišta u Bruxellesu i Zaklade Santa Lucia u Italiji. Istraživači su testirali različite načine upravljanja uređajem – vjeruju da najbolje radi sučelje mozak-neuro-računalo (BNCI), koje vam omogućuje da njime upravljate mislima. Signali prolaze između mozga i računala, zaobilazeći leđnu moždinu. Mindwalker pretvara EMG signale, odnosno male potencijale (zvane miopotencijali) koji se pojavljuju na površini kože osobe kada mišići rade, u elektroničke naredbe pokreta. Egzoskelet je prilično lagan, bez baterija teži samo 30 kg. Izdržava odraslu osobu težine do 100 kg.

2016 – Tehničko sveučilište ETH u Zürichu, Švicarska, domaćin je prvog sportskog natjecanja Cybathlon za osobe s invaliditetom koje koriste pomoćne robote. Jedna od disciplina bila je utrka egzoskeleta na poligonu s preprekama za osobe s paralizom donjih ekstremiteta. U ovoj demonstraciji vještina i tehnologije, korisnici egzoskeleta morali su obavljati zadatke kao što su sjedenje na kauču i ustajanje, hodanje po padinama, gaženje po stijenama (kao kada se prelazi plitka planinska rijeka) i penjanje stepenicama. Ispostavilo se da nitko nije uspio savladati sve vježbe, a najbržim je ekipama trebalo više od 50 minuta da prođu stazu s 8 metara prepreka. Sljedeći događaj održat će se 2020. godine kao pokazatelj razvoja tehnologije egzoskeleta.

2019 – Tijekom ljetnih demonstracija u Centru za obuku komandosa u britanskom Lympstonu, Richard Browning, izumitelj i izvršni direktor tvrtke Gravity Industries, pokazao je svoje egzoskeletno mlazno odijelo Daedalus Mark 1, koje je ostavilo snažan dojam na vojsku, i ne samo na Britance. Šest malih mlaznih motora - od kojih su dva ugrađena straga i dva u obliku dodatnih parova na svakoj ruci - omogućuju vam da se popnete na visinu do 600 m. Za sada ima dovoljno goriva samo za 10 minuta let ...