Екзоскелети
Въпреки че напоследък все повече се чува за екзоскелети, се оказва, че историята на това изобретение датира от деветнадесети век. Разберете как се е променил през десетилетията и как са изглеждали повратните моменти в неговата еволюция.
1. Илюстрация от патента на Николай Ягн
1890 – Първите иновативни идеи за създаване на екзоскелет датират от 1890 век. През 420179 г. Никълъс Ягн патентова в Съединените щати (патент № US XNUMX A) „Устройство за улесняване на ходене, бягане и скачане“ (1). Това беше броня, изработена от дърво, чиято цел беше да увеличи скоростта на воина по време на многокилометров марш. Дизайнът се превърна в източник на вдъхновение за по-нататъшно търсене на оптималното решение.
1961 - През 60-те години General Electric, заедно с група учени от университета Comell, започват работа по създаването на електрохидравличен костюм, който поддържа човешките упражнения. Сътрудничеството с военните по проекта Man Augmentation доведе до разработването на Hardiman (2). Целта на проекта беше да се създаде костюм, който имитира естествените движения на човек, позволявайки му да повдига предмети с тегло почти 700 кг. Самият костюм тежеше същото, но осезаемото тегло беше само 20 кг.
2. Прототип на топлообменника на General Electric
Въпреки успеха на проекта се оказа, че ползата от него е нищожна, а първоначалните копия ще бъдат скъпи. Техните ограничени възможности за мобилност и сложна система за захранване в крайна сметка направиха тези устройства неизползваеми. По време на тестване се оказа, че Hardiman може да вдигне само 350 кг, а при продължителна употреба има склонност към опасни, некоординирани движения. От по-нататъшното развитие на прототипа беше изоставено само едно рамо - устройството тежеше около 250 кг, но беше също толкова непрактично, колкото предишния екзоскелет.
70-те години. „Поради своя размер, тегло, нестабилност и проблеми с мощността Hardiman никога не е влизал в производство, но индустриалният Man-Mate използва някои технологии от 60-те години. Правата върху технологията бяха закупени от Western Space and Marine, основана от един от инженерите на GE. Продуктът е доразработен и днес съществува под формата на голяма роботизирана ръка, която може да повдигне до 4500 кг с помощта на обратна връзка по силата, което го прави идеален за стоманодобивната промишленост.
3. Екзоскелети, построени в института „Михаил Пупин” в Сърбия.
1972 – Ранни активни екзоскелети и хуманоидни роботи са разработени в Института Михайло Пупин в Сърбия от група, ръководена от проф. Миомир Вукобратович. Първо, системи за движение на краката са разработени в подкрепа на рехабилитацията на хора, страдащи от параплегия (3). При разработването на активни екзоскелети институтът разработи и методи за анализиране и контрол на човешката походка. Някои от тези постижения са допринесли за развитието на днешните високопроизводителни хуманоидни роботи. През 1972 г. в ортопедична клиника в Белград е тестван активен пневматичен екзоскелет с електронно програмиране за парализа на долните крайници.
1985 „Инженер от Националната лаборатория в Лос Аламос изгражда екзоскелет, наречен Pitman, силова броня за пехотинци. Управлението на устройството се основавало на сензори, които сканират повърхността на черепа, поставени в специален шлем. Като се имат предвид възможностите на технологията на времето, това беше твърде сложен дизайн за производство. Ограничението беше преди всичко недостатъчната изчислителна мощност на компютрите. Освен това обработката на мозъчните сигнали и превръщането им в движения на екзоскелета остава технически практически невъзможна по това време.
4. Екзоскелетен спасителен костюм, проектиран от Монти Рийд.
1986 — Монти Рийд, войник от американската армия, който счупи гръбнака си по време на скок с парашут, разработва екзоскелет на костюм за оцеляване (4). Той е вдъхновен от описанията на подвижните пехотни костюми в научно-фантастичния роман на Робърт Хайнлайн „Звездни войници“, който чете, докато се възстановява в болницата. Въпреки това, Рийд започва работа по устройството си едва през 2001 г. През 2005 г. той тества прототип на спасителен костюм 4,8 в състезанието за Деня на Свети Патрик в Сиатъл, Вашингтон. Разработчикът твърди, че е поставил рекорд за скорост при ходене в костюми за роботи, изминавайки 4 километра при средна скорост от 14 км/ч. Прототипът Lifesuit 1,6 успя да измине 92 км напълно зареден и позволи да вдигне XNUMX кг.
1990-настояще - Първият прототип на екзоскелета HAL е предложен от Йошиюки Санкай (5), проф. Университет в Цукуба. Санкай прекарва три години - от 1990 до 1993 г. - идентифициране на невроните, които контролират движението на краката. На него и екипа му отне още четири години, за да прототипират оборудването. Третият прототип на HAL, разработен в началото на 22 век, е свързан с компютър. Самата батерия тежеше почти 5 кг, което я правеше много непрактична. За разлика от това, по-късният модел HAL-10 тежеше само 5 кг и имаше батерията и контролния компютър, увити около кръста на потребителя. HAL-XNUMX в момента е медицински екзоскелет с четири крайника (въпреки че се предлага и версия само за долни крайници), произведен от японската компания Cyberdyne Inc. в сътрудничество с университета в Цукуба.
5. Професор Йошиюки Санкай представя един от моделите на екзоскелет.
Работи приблизително 2 часа 40 минути както на закрито, така и на открито. Помага за повдигане на тежки предмети. Разположението на органите за управление и задвижването в контейнери вътре в кутията направи възможно да се отървете от "раницата", така характерна за повечето екзоскелети, понякога наподобяваща голямо насекомо. Хората с хипертония, остеопороза и всякакви сърдечни заболявания трябва да се консултират с лекар преди да използват HAL, а противопоказанията включват, но не се ограничават до, пейсмейкър и бременност. Като част от програмата HAL FIT, производителят предлага възможност за използване на лечебни сесии с екзоскелет както за болни, така и за здрави хора. Дизайнерът HAL твърди, че следващите етапи на надстройката ще се фокусират върху създаването на тънък костюм, който ще позволи на потребителя да се движи свободно и дори да тича.
2000 - проф. Homayoun Kazeruni и неговият екип в Ekso Bionics разработват универсален превозвач на човешки товари или HULC (6) е безжичен екзоскелет с хидравлично задвижване. Целта му е да помогне на воюващите войници да носят товари с тегло до 90 кг за дълго време, с максимална скорост от 16 км/ч. Системата беше представена на обществеността на зимния симпозиум на AUSA на 26 февруари 2009 г., когато беше постигнато лицензионно споразумение с Lockheed Martin. Доминиращият материал, използван в този дизайн, е титанът, лек, но сравнително скъп материал с високи механични и якостни свойства.
Екзоскелетът е оборудван с вендузи, които ви позволяват да носите предмети с тегло до 68 кг (подемно устройство). Захранването се осъществява от четири литиево-полимерни батерии, които осигуряват нормална работа на уреда при оптимално натоварване до 20 часа. Екзоскелетът е тестван в различни бойни условия и с различни натоварвания. След поредица от успешни експерименти през есента на 2012 г. той е изпратен в Афганистан, където е тестван по време на въоръжен конфликт. Въпреки многото положителни отзиви, проектът беше спрян. Както се оказа, дизайнът затруднява извършването на определени движения и всъщност увеличава натоварването на мускулите, което противоречи на общата идея за неговото създаване.
2001 – Проектът Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), първоначално предназначен главно за армията, е в ход. В нейните рамки са постигнати обещаващи резултати под формата на автономни решения с практическо значение. На първо място е създадено роботизирано устройство, прикрепено към долната част на тялото, за да придаде на краката допълнителна здравина. Оборудването е финансирано от Агенцията за напреднали изследователски проекти в областта на отбраната (DARPA) и е разработено от лабораторията по роботика и човешко инженерство в Бъркли, подразделение на Калифорнийския университет, Катедрата по машинно инженерство в Бъркли. Екзоскелетната система на Бъркли дава възможност на войниците да носят големи полезни товари с минимално усилие и над всякакъв вид терен, като храна, спасително оборудване, комплекти за първа помощ, комуникации и оръжия. В допълнение към военни приложения BLEEX в момента разработва граждански проекти. В момента Лабораторията по роботика и човешко инженерство проучва следните решения: ExoHiker - екзоскелет, предназначен основно за членове на експедиция, където има нужда от транспортиране на тежко оборудване, ExoClimber - оборудване за хора, изкачващи високи хълмове, Medical Exoskeleton - екзоскелет за хора с увреждания физически възможности. нарушения на подвижността на долните крайници.
8. Прототип Sarcos XOS 2 в действие
текст
2010 – Появява се XOS 2 (8) е продължение на екзоскелета XOS от Sarcos. На първо място, новият дизайн стана по-лек и по-надежден, което ви позволява да повдигате товари с тегло до 90 кг в статично състояние. Устройството прилича на киборг. Управлението се основава на тридесет задвижващи механизма, които действат като изкуствени стави. Екзоскелетът съдържа няколко сензора, които предават сигнали към задвижващите механизми чрез компютър. По този начин се осъществява плавна и непрекъсната работа и потребителят не усеща значително усилие. Теглото на XOS е 68 кг.
2011-настояще – Американската администрация по храните и лекарствата (FDA) одобрява медицинския екзоскелет ReWalk (9). Това е система, която използва силови елементи за укрепване на краката и позволява на хората с парализа да се изправят, да ходят и да се изкачват по стълби. Енергията се осигурява от батерия за раница. Управлението се осъществява с помощта на просто ръчно дистанционно управление, което открива и коригира движенията на потребителя. Цялото нещо е проектирано от Амит Гофер от Израел и се продава от ReWalk Robotics Ltd (първоначално Argo Medical Technologies) за около 85 XNUMX PLN. долара.
9 души влизат в екзоскелети ReWalk
Към момента на пускането на пазара оборудването се предлагаше в две версии - ReWalk I и ReWalk P. Първата се използва от медицински институции за изследователски или терапевтични цели под наблюдението на медицински специалист. ReWalk P е предназначен за лична употреба от пациенти у дома или на обществени места. През януари 2013 г. беше пусната актуализирана версия на ReWalk Rehabilitation 2.0. Това подобри прилягането за по-високи хора и подобри софтуера за управление. ReWalk изисква от потребителя да използва патерици. Като противопоказания се споменават сърдечно-съдови заболявания и чупливост на костите. Ограничението е и растежът, в рамките на 1,6-1,9 m, и телесно тегло до 100 kg. Това е единственият екзоскелет, в който можете да карате кола.
10. Ex Bionics eLEGS
2012 Ekso Bionics, известна преди като Berkeley Bionics, разкрива своя медицински екзоскелет. Проектът стартира две години по-рано под името eLEGS (10), и е предназначена за рехабилитация на хора с различна степен на парализа. Подобно на ReWalk, конструкцията изисква използването на патерици. Батерията осигурява енергия за поне шест часа употреба. Комплектът Exo струва около 100 хиляди. долара. В Полша е известен проектът на екзоскелета Ekso GT, медицинско устройство, предназначено за работа с неврологични пациенти. Дизайнът му позволява ходене, включително хора след инсулт, наранявания на гръбначния мозък, пациенти с множествена склероза или със синдром на Гилен-Баре. Оборудването може да работи в няколко различни режима, в зависимост от степента на дисфункция на пациента.
2013 – Mindwalker, проект за екзоскелет, контролиран от ума, получава финансиране от Европейския съюз. Дизайнът е резултат от сътрудничеството между учени от Свободния университет в Брюксел и фондация Санта Лучия в Италия. Изследователите са тествали различни начини за управление на устройството - те вярват, че интерфейсът мозък-невро-компютър (BNCI) работи най-добре, което ви позволява да го управлявате с мисли. Сигналите преминават между мозъка и компютъра, заобикаляйки гръбначния мозък. Mindwalker преобразува ЕМГ сигнали, тоест малки потенциали (наречени миопотенциали), които се появяват на повърхността на кожата на човек, когато мускулите работят, в електронни команди за движение. Екзоскелетът е доста лек, тежи само 30 кг без батерии. Издържа възрастен човек с тегло до 100 кг.
2016 – Техническият университет ETH в Цюрих, Швейцария, е домакин на първото спортно състезание Cybathlon за хора с увреждания, използващи помощни роботи. Една от дисциплините беше състезанието с екзоскелети на писта с препятствия за хора с парализа на долните крайници. В тази демонстрация на умения и технологии потребителите на екзоскелети трябваше да изпълняват задачи като сядане на диван и ставане, ходене по склонове, стъпване върху камъни (като при пресичане на плитка планинска река) и изкачване на стълби. Оказа се, че никой не успява да овладее всички упражнения, а на най-бързите отбори им отне повече от 50 минути, за да преодолеят 8-метровата писта с препятствия. Следващото събитие ще се състои през 2020 г. като индикатор за развитието на технологията за екзоскелети.
2019 – По време на летни демонстрации в Центъра за обучение на командоси в Лимпстън, Великобритания, Ричард Браунинг, изобретател и главен изпълнителен директор на Gravity Industries, показа своя екзоскелетен реактивен костюм Daedalus Mark 1, който направи огромно впечатление на военните, и не само на британците. Шест малки реактивни двигателя - два от тях са монтирани отзад и два под формата на допълнителни двойки на всяко рамо - ви позволяват да се изкачите на височина до 600 м. Засега има достатъчно гориво само за 10 минути полет...
