Екзоскелети

Хоча останнім часом все більше і більше чути про екзоскелети, виявляється, історія цього винаходу сягає корінням у дев'ятнадцяте століття. Дізнайтеся, як він змінився за десятиліття і як виглядали поворотні моменти у його еволюції. 

1. Ілюстрація з патенту Миколи Ягна

1890 – Перші новаторські ідеї створення екзоскелету відносяться до ХІХ століття. У 1890 р. Ніколас Ягн запатентував у США (патент № US 420179 А) «Пристрій для полегшення ходьби, бігу та стрибків» (1). Це був обладунок із дерева, метою якого було збільшення швидкості воїна під час багатокілометрового маршу. Дизайн став джерелом натхнення для подальшого пошуку оптимального рішення.

1961 – У 60-х компанія General Electric разом із групою вчених з Університету Комелла розпочала роботу над створенням електрогідравлічного костюма, що підтримує фізичні вправи людини. Співпраця з військовими у проекті Man Augmentation призвела до розробки Hardiman (2). Метою проекту було створення костюма, який імітував би природні рухи людини, дозволяючи йому піднімати предмети вагою майже 700 кг. Сам костюм важив стільки ж, але відчутна вага становила лише 20 кг.

2. Прототип теплообмінника General Electric

Незважаючи на успіх проекту, виявилося, що корисність його мізерна, а початкові екземпляри коштуватимуть дорого. Їхні обмежені можливості мобільності та складна система живлення зрештою зробили ці пристрої непридатними для використання. У ході випробувань з'ясувалося, що Hardiman може підняти лише 350 кг, а за тривалого використання має схильність до небезпечних, нескоординованих рухів. Від подальшої розробки прототипу відмовилися тільки від однієї руки - пристрій важив близько 250 кг, але він був таким же непрактичним, як і попередній екзоскелет.

70-і роки. – Через свій розмір, вагу, нестабільність та проблеми з електроживленням Hardiman так і не надійшов у виробництво, але в промисловому маніпуляторі Man-Mate були використані деякі технології 60-х років. Права на технологію купила компанія Western Space and Marine, заснована одним із інженерів GE. Продукт отримав подальший розвиток, і сьогодні він існує у вигляді великої роботизованої руки, яка за допомогою силового зворотного зв'язку може піднімати вагу до 4500 кг, що робить її ідеальною для металургійної промисловості.

3. Екзоскелети, збудовані в Інституті Михайло Пупіна в Сербії.

1972 – Ранні активні екзоскелети та роботи-гуманоїди були розроблені в Інституті Михайло Пупіна у Сербії групою під керівництвом проф. Міомир Вукобратович. По-перше, системи руху на ногах були розроблені для підтримки реабілітації людей, які страждають на параплегію (3). При створенні активних екзоскелетів в інституті також розроблялися способи аналізу та контролю ходи людини. Деякі з цих досягнень сприяли розробці сучасних високопродуктивних роботів-гуманоїдів. У 1972 році в ортопедичній клініці Белграда був випробуваний активний екзоскелет з пневматичним приводом та електронним програмуванням для паралічу нижніх кінцівок.

1985 – Інженер Лос-Аламоської національної лабораторії будує екзоскелет під назвою «Пітмен», силову броню для піхотинців. Управління пристроєм було засноване на датчиках, що сканують поверхні черепа, розміщених у спеціальному шоломі. Враховуючи можливості тогочасних технологій, це була надто складна конструкція, щоб займатися її виробництвом. Обмеженням була передусім недостатня обчислювальна потужність комп'ютерів. Крім того, обробка сигналів мозку та перетворення їх у рухи екзоскелета на той час залишалися технічно практично неможливими.

4. Екзоскелет Lifesuit, розроблений Монті Рідом.

1986 – Монті Рід, солдат армії США, який зламав хребет під час стрибка з парашутом, розробляє екзоскелет рятувального костюма (4). Його надихнули описи мобільних піхотних костюмів у науково-фантастичному романі Роберта Хайнлайна «Зоряний десант», який він прочитав під час одужання у лікарні. Проте Рід не розпочинав роботу над створенням свого пристрою до 2001 року. У 2005 році він випробував на собі прототип 4,8 рятувального костюма, беручи участь у гонці на честь Дня Святого Патріка в Сіетлі, штат Вашингтон. Розробник стверджує, що встановив рекорд швидкості ходьби у костюмах роботів, подолавши 4 кілометри із середньою швидкістю 14 км/год. Прототип Lifesuit 1,6 зміг пройти 92 км. повністю зарядженим і дозволив підняти XNUMX кг.

1990-тепер – Перший прототип екзоскелета HAL був запропонований Йосіюкі Санкаєм (5), проф. Університет Цукуби. Санкаї витратив три роки - з 1990 по 1993 - на виявлення нейронів, що управляють рухом ніг. Йому та його команді потрібно ще чотири роки, щоб зробити прототип обладнання. Третій прототип HAL, розроблений на початку 22 століття, було підключено до комп'ютера. Сам акумулятор важив майже 5 кг, що робило його дуже непрактичним. Навпаки, пізніша модель HAL-10 важила всього 5 кг, а батарея та керуючий комп'ютер були обгорнуті навколо талії користувача. HAL-XNUMX в даний час є медичним екзоскелетом з чотирма кінцівками (хоча також доступна версія тільки для нижніх кінцівок), вироблений японською компанією Cyberdyne Inc. у співпраці з Університетом Цукуба.

5. Професор Есіюкі Санкай представляє одну з моделей екзоскелета.

Працює приблизно 2 години 40 хвилин як у приміщенні, так і на вулиці. Допомагає піднімати тяжкі предмети. Розташування елементів управління і приводу в контейнерах всередині корпусу дозволило позбутися настільки характерного для більшості екзоскелетів «рюкзака», що іноді нагадує велику комаху. Люди з гіпертонією, остеопорозом та будь-якими захворюваннями серця повинні проконсультуватися з лікарем перед використанням HAL, а протипоказання включають, серед іншого, кардіостимулятор та вагітність. В рамках програми HAL FIT виробник пропонує можливість використання лікувальних сеансів з екзоскелетом як для хворих, так і здорових людей. Конструктор HAL стверджує, що наступні етапи модернізації будуть спрямовані на створення тонкого костюма, який дозволить користувачеві вільно пересуватись і навіть бігати. 

2000 - Проф. Хомаюн Казеруні та його команда у Ekso Bionics розробляють універсальний вантажний носій для людини, або HULC (6) - Бездротовий екзоскелет з гідравлічним приводом. Його призначення — допомогти солдатам, що воюють, переносити вантажі масою до 90 кг протягом тривалого часу, з максимальною швидкістю 16 км/год. Система була представлена ​​публіці на зимовому симпозіумі AUSA 26 лютого 2009 р., коли було досягнуто ліцензійної угоди з Lockheed Martin. Домінуючим матеріалом, що використовується в цій конструкції, є титан - легкий, але відносно дорогий матеріал з високими механічними та властивостями міцності.

Екзоскелет оснащений присосками, що дозволяють переносити предмети вагою до 68 кг (підйомний пристрій). Живлення здійснюється від чотирьох літій-полімерних акумуляторів, що дозволяють забезпечити нормальну роботу пристрою за оптимального навантаження до 20 годин. Екзоскелет був випробуваний у різних умовах бою та з різними навантаженнями. Після серії успішних експериментів восени 2012 року його відправили до Афганістану, де він пройшов випробування під час збройного конфлікту. Незважаючи на безліч позитивних відгуків, проект було припинено. Як виявилося, конструкція ускладнювала виконання певних рухів та фактично збільшувала навантаження на м'язи, що суперечило спільній ідеї її створення.

2001 - Проект Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), спочатку призначений в основному для армії, знаходиться на стадії реалізації. У його рамках було досягнуто перспективних результатів у вигляді автономних рішень, що мають практичне значення. Насамперед було створено роботизований пристрій, прикріплений до нижньої частини тіла, щоб надати ногам додаткову силу. Обладнання було профінансовано Агентством перспективних оборонних дослідницьких проектів (DARPA) та розроблено Лабораторією робототехніки та інженерії людини Берклі – підрозділом Каліфорнійського університету, факультет машинобудування Берклі. Екзоскелетна система Берклі дає солдатам можливість нести великі вантажі з мінімальними зусиллями та за будь-яким типом місцевості, такі як продукти харчування, рятувальне обладнання, аптечки, засоби зв'язку та зброю. Окрім військового застосування, BLEEX зараз розробляє цивільні проекти. Лабораторія робототехніки та інженерії людини в даний час досліджує наступні рішення: ExoHiker - екзоскелет - екзоскелет для людей з обмеженими фізичними можливостями. порушення рухливості нижніх кінцівок.

8. Прототип Sarcos XOS 2 діє

текст

2010 - з'являється XOS 2 (8) - Продовження екзоскелета XOS від Sarcos. Насамперед, нова конструкція стала легшою та надійнішою, дозволяючи піднімати в статиці вантажі вагою до 90 кг. Пристрій нагадує кіборга. Управління ґрунтується на тридцяти виконавчих механізмах, які діють як штучні суглоби. Екзоскелет містить кілька датчиків, що передають сигнали виконавчим механізмам через комп'ютер. Таким чином, відбувається плавне та безперервне управління, і користувач не відчуває будь-яких значних зусиль. Вага XOS складає 68 кг.

2011-тепер – Управління з санітарного нагляду за якістю харчових продуктів та медикаментів США (FDA) схвалює медичний екзоскелет ReWalk (9). Це система, яка використовує силові елементи для зміцнення ніг і дозволяє людям з паралічем нижніх кінцівок стояти прямо, ходити та підніматися сходами. Енергія забезпечується ранцевою батареєю. Управління здійснюється за допомогою простого ручного пульта, який визначає та коригує рухи користувача. Все це було розроблено Амітом Гоффером з Ізраїлю та продається компанією ReWalk Robotics Ltd (спочатку Argo Medical Technologies) приблизно за 85 тисяч злотих. доларів.

9. Люди ходять в екзоскелетах ReWalk

На момент випуску обладнання було доступне у двох версіях – ReWalk I та ReWalk P. Перша використовується медичними установами в дослідницьких чи терапевтичних цілях під наглядом медичного працівника. ReWalk P призначений для особистого використання пацієнтами вдома або у громадських місцях. У січні 2013 року було випущено оновлену версію ReWalk Rehabilitation 2.0. Це покращило посадку для більш високих людей та покращило керуюче програмне забезпечення. ReWalk вимагає, щоб користувач використовував милиці. Як протипоказання згадуються серцево-судинні захворювання та крихкість кісток. Обмеженням також є зріст, у межах 1,6-1,9 м, та маса тіла до 100 кг. Це єдиний екзоскелет, у якому можна керувати автомобілем.

10. eLEGS фірми Ex Bionics

2012 – Ekso Bionics, раніше відома як Berkeley Bionics, представляє свій медичний екзоскелет. Проект стартував двома роками раніше під назвою eLEGS (10), та призначався для реабілітації людей з різним ступенем паралічу. Як і ReWalk, конструкція вимагає використання милиць. Акумулятор забезпечує енергією щонайменше шість годин використання. Комплект Ексо коштує близько 100 тисяч. доларів. У Польщі відомий проект екзоскелета Ekso GT – медичного пристрою, призначеного для роботи з неврологічними пацієнтами. Його конструкція дозволяє ходити, у тому числі люди після інсультів, травм спинного мозку, хворі на розсіяний склероз або з синдромом Гійєна-Барре. Апаратура може працювати в різних режимах – залежно від ступеня дисфункції пацієнта.

2013 – Mindwalker, керований розумом проект екзоскелету, отримує фінансування від Європейського Союзу. Дизайн є результатом співпраці вчених із Вільного університету Брюсселя та Фонду Санта-Лючія в Італії. Дослідники тестували різні способи керування пристроєм - вони вважають, що найкраще працює інтерфейс мозок-нейро-комп'ютер (BNCI), який дозволяє керувати ним думками. Сигнали проходять між мозком та комп'ютером, минаючи спинний мозок. Mindwalker перетворює сигнали ЕМГ, тобто невеликі потенціали (звані міопотенціалами), які з'являються на поверхні шкіри людини під час роботи м'язів в електронні команди руху. Екзоскелет досить легкий, важить лише 30 кг без батарейок. Він витримає дорослу людину вагою до 100 кг.

2016 – Технічний університет ETH у Цюріху, Швейцарія, проводить перше спортивне змагання Cybathlon для людей з обмеженими можливостями, які використовують допоміжні роботи. Однією з дисциплін стала гонка екзоскелету на смузі перешкод для людей із паралічем нижніх кінцівок. У цій демонстрації навичок та технологій користувачі екзоскелету мали вирішувати такі завдання, як сидіти на дивані та вставати, ходити по схилах, ступати по каменях (як при перетині мілководної гірської річки) та підніматися сходами. Виявилося, що ніхто не зміг впоратися з усіма вправами, а найшвидшим командам знадобилося понад 50 хвилин, щоб пройти 8-метрову смугу перешкод. Наступний захід відбудеться у 2020 році як показник розвитку технології екзоскелету.

2019 – Під час літніх демонстрацій у Навчальному центрі командос у британському Лімпстоні Річард Браунінг, винахідник та генеральний директор Gravity Industries продемонстрував свій реактивний костюм-екзоскелет Daedalus Mark 1, який справив величезне враження на військових, причому не лише британських. Шість невеликих реактивних двигунів - два з них встановлені ззаду і по дві у вигляді додаткових пар на кожній руці - дозволяють підніматися на висоту до 600 м. Поки що палива вистачає лише на 10 хвилин польоту.