Экзашкілеты

Хоць у апошні час усё больш і больш чуваць пра экзоскелет, аказваецца, гісторыя гэтага вынаходкі сыходзіць каранямі ў дзевятнаццатае стагоддзе. Даведайцеся, як ён змяніўся за дзесяцігоддзі і як выглядалі паваротныя моманты ў яго эвалюцыі. 

1. Ілюстрацыя з патэнта Мікалая Ягна

1890 - Першыя наватарскія ідэі стварэння экзоскелета адносяцца да XIX стагоддзя. У 1890 г. Нікалас Ягн запатэнтаваў у ЗША (патэнт № US 420179 А) «Прылада для палягчэння хады, бегу і скачкоў» (1). Гэта быў даспех з дрэва, мэтай якога было павелічэнне хуткасці воіна падчас шматкіламетровага маршу. Дызайн стаў крыніцай натхнення для далейшага пошуку аптымальнага рашэння.

1961 - У 60-х кампанія General Electric разам з групай навукоўцаў з Універсітэта Комела пачала працу над стварэннем электрагідраўлічнага касцюма, які падтрымлівае фізічныя практыкаванні чалавека. Супрацоўніцтва з вайскоўцамі ў праекце Man Augmentation прывяло да распрацоўкі Hardiman (2). Мэтай праекту было стварэнне гарнітура, які імітаваў бы натуральныя рухі чалавека, дазваляючы яму паднімаць прадметы вагай амаль 700 кг. Сам касцюм важыў столькі ж, але адчувальная вага складала ўсяго 20 кг.

2. Прататып цеплаабменніка General Electric

Нягледзячы на ​​поспех праекта, аказалася, што карыснасць яго нікчэмная, а першапачатковыя экзэмпляры будуць каштаваць дорага. Іх абмежаваныя магчымасці мабільнасці і складаная сістэма сілкавання ў канчатковым выніку зрабілі гэтыя прылады непрыдатнымі для выкарыстання. Падчас выпрабаванняў высветлілася, што Hardiman можа падняць толькі 350 кг, а пры працяглым выкарыстанні мае схільнасць да небяспечных, нескаардынаваных рухаў. Ад далейшай распрацоўкі прататыпа адмовіліся толькі ад адной рукі - прылада важыла каля 250 кг, але яно было гэтак жа непрактычным, як і папярэдні экзоскелет.

70-я гады. - З-за свайго памеру, вагі, нестабільнасці і праблем з электрасілкаваннем Hardiman так і не паступіў у вытворчасць, але ў прамысловым маніпулятары Man-Mate былі скарыстаны некаторыя тэхналогіі 60-х гадоў. Правы на тэхналогію купіла кампанія Western Space and Marine, заснаваная адным з інжынераў GE. Прадукт атрымаў далейшае развіццё, і сёння ён існуе ў выглядзе вялікай рабатызаваных рукі, якая з дапамогай сілавы зваротнай сувязі можа падымаць вагу да 4500 кг, што робіць яе ідэальнай для металургічнай прамысловасці.

3. Экзашкілеты, пабудаваныя ў Інстытуце Міхайла Пупіна ў Сербіі.

1972 - Раннія актыўныя экзоскелеты і робаты-гуманоіды былі распрацаваны ў Інстытуце Міхайла Пупіна ў Сербіі групай пад кіраўніцтвам праф. Міямір Вукобратавіч. Па-першае, сістэмы руху на нагах былі распрацаваны для падтрымкі рэабілітацыі людзей, якія пакутуюць параплегіяй.3). Пры распрацоўцы актыўных экзашкілетаў у інстытуце таксама распрацоўваліся метады аналізу і кантролю хады чалавека. Некаторыя з гэтых дасягненняў спрыялі распрацоўцы сучасных высокапрадукцыйных робатаў-гуманоідаў. У 1972 году ў артапедычнай клініцы Белграда быў выпрабаваны актыўны экзоскелет з пнеўматычным прывадам і электронным праграмаваннем для паралічу ніжніх канечнасцяў.

1985 - Інжынер Лос-Аламоскай нацыянальнай лабараторыі будуе экзашкілет пад назвай «Пітмэн», сілавую браню для пяхотнікаў. Кіраванне прыладай было заснавана на датчыках, якія скануюць паверхні чэрапа, размешчаных у спецыяльным шлеме. Улічваючы магчымасці тэхналогій таго часу, гэта была надта складаная канструкцыя, каб займацца яе вытворчасцю. Абмежаваннем была перш за ўсё недастатковая вылічальная магутнасць кампутараў. Акрамя таго, апрацоўка сігналаў мозгу і пераўтварэнне іх у рухі экзоскелета ў той час заставаліся тэхнічна практычна немагчымымі.

4. Экзашкілет Lifesuit, распрацаваны Монці Рыдам.

1986 - Монці Рыд, салдат арміі ЗША, які зламаў пазваночнік пры скачку з парашутам, распрацоўвае экзашкілет выратавальнага касцюма (4). Яго натхнілі апісанні мабільных пяхотных касцюмаў у навукова-фантастычным рамане Роберта Хайнлайна "Зорны дэсант", які ён прачытаў падчас акрыяння ў бальніцы. Аднак Рыд не пачынаў працу над стварэннем сваёй прылады да 2001 гады. У 2005 годзе ён выпрабаваў на сабе прататып 4,8-га выратавальнага касцюма, удзельнічаючы ў гонцы ў гонар Дня Святога Патрыка ў Сіэтле, штат Вашынгтон. Распрацоўнік сцвярджае, што ўсталяваў рэкорд хуткасці хады ў гарнітурах робатаў, пераадолеўшы 4 кіламетры з сярэдняй хуткасцю 14 км/г. Прататып Lifesuit 1,6 змог прайсці 92 км цалкам зараджаным і дазволіў падняць XNUMX кг.

1990-цяперашні час - Першы прататып экзоскелета HAL быў прапанаваны Ёсіюкі Санкаем (5), праф. Універсітэт Цукуба. Санка выдаткаваў тры гады - з 1990 па 1993 год - на выяўленне нейронаў, якія кіруюць рухам ног. Яму і яго камандзе спатрэбілася яшчэ чатыры гады, каб зрабіць прататып абсталявання. Трэці прататып HAL, распрацаваны ў пачатку 22 стагоддзі, быў падлучаны да кампутара. Сам акумулятар важыў амаль 5 кг, што рабіла яго вельмі непрактычным. Наадварот, пазнейшая мадэль HAL-10 важыла ўсяго 5 кг, а батарэя і кіраўнік кампутар былі абгорнутыя вакол таліі карыстача. HAL-XNUMX у цяперашні час уяўляе сабой медыцынскі экзоскелет з чатырма канечнасцямі (хоць таксама даступная версія толькі для ніжніх канечнасцяў), які вырабляецца японскай кампаніяй Cyberdyne Inc. у супрацоўніцтве з Універсітэтам Цукуба.

5. Прафесар Ёсіюкі Санкай прадстаўляе адну з мадэляў экзашкілета.

Працуе прыкладна 2 гадзіны 40 хвілін як у памяшканні, так і на вуліцы. Дапамагае паднімаць цяжкія прадметы. Размяшчэнне элементаў кіравання і прывада ў кантэйнерах усярэдзіне карпусоў дазволіла пазбавіцца ад гэтак характэрнага для большасці экзоскелетаў заплечніка , часам які нагадвае буйная казурка. Людзі з гіпертаніяй, астэапарозам і любымі захворваннямі сэрца павінны пракансультавацца з лекарам перад выкарыстаннем HAL, а супрацьпаказанні ўключаюць, сярод іншага, кардыёстымулятар і цяжарнасць. У рамках праграмы HAL FIT вытворца прапануе магчымасць выкарыстання лячэбных сеансаў з экзоскелет як для хворых, так і для здаровых людзей. Канструктар HAL сцвярджае, што наступныя этапы мадэрнізацыі будуць накіраваны на стварэнне тонкага касцюма, які дазволіць карыстачу вольна перасоўвацца і нават бегаць. 

2000 - Праф. Хамаюн Казеруні і яго каманда ў Ekso Bionics распрацоўваюць універсальны грузавы носьбіт для чалавека, або HULC (6) - бесправадны экзоскелет з гідраўлічным прывадам. Яго прызначэнне - дапамагчы ваюючым салдатам пераносіць грузы масай да 90 кг на працягу доўгага часу, з максімальнай хуткасцю 16 км/г. Сістэма была прадстаўлена публіцы на зімовым сімпозіуме AUSA 26 лютага 2009 г., калі было дасягнута ліцэнзійнае пагадненне з Lockheed Martin. Дамінантным матэрыялам, выкарыстоўваным у гэтай канструкцыі, з'яўляецца тытан - лёгкі, але адносна дарагі матэрыял з высокімі механічнымі і трывальнымі ўласцівасцямі.

Экзашкілет абсталяваны прысоскамі, якія дазваляюць пераносіць прадметы вагой да 68 кг (пад'ёмная прылада). Сілкаванне ажыццяўляецца ад чатырох літый-палімерных акумулятараў, якія дазваляюць забяспечыць звычайную працу прылады пры аптымальнай нагрузцы да 20 гадзін. Экзашкілет быў выпрабаваны ў розных умовах бою і з рознымі нагрузкамі. Пасля серыі паспяховых эксперыментаў восенню 2012 года яго адправілі ў Афганістан, дзе ён прайшоў выпрабаванні падчас узброенага канфлікту. Нягледзячы на ​​мноства станоўчых водгукаў, праект быў прыпынены. Як аказалася, канструкцыя абцяжарвала выкананне пэўных рухаў і фактычна павялічвала нагрузку на мышцы, што супярэчыла агульнай ідэі яе стварэння.

2001 - Праект Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), першапачаткова прызначаны ў асноўным для войска, знаходзіцца ў стадыі рэалізацыі. У яго рамках былі дасягнуты перспектыўныя вынікі ў выглядзе аўтаномных рашэнняў, якія маюць практычнае значэнне. Перш за ўсё, была створана рабатызаваная прылада, прымацаванае да ніжняй часткі цела, каб надаць нагам дадатковую сілу. Абсталяванне было прафінансавана Агенцтвам перспектыўных абаронных даследчых праектаў (DARPA) і распрацавана Лабараторыяй робататэхнікі і інжынерыі чалавека Берклі - падраздзяленнем Каліфарнійскага ўніверсітэта, факультэт машынабудавання Берклі. Экзашкілетная сістэма Берклі дае салдатам магчымасць несці вялікія грузы з мінімальнымі намаганнямі і па любому тыпу мясцовасці, такія як прадукты харчавання, выратавальнае абсталяванне, аптэчкі, сродкі сувязі і зброю. Апроч ваеннага прымянення, BLEEX у цяперашні час распрацоўвае грамадзянскія праекты. Лабараторыя робататэхнікі і інжынерыі чалавека ў цяперашні час даследуе наступныя рашэнні: ExoHiker - экзоскелет, прызначаны ў асноўным для ўдзельнікаў экспедыцый, дзе ёсць неабходнасць у транспарціроўцы цяжкага абсталявання, ExoClimber - рыштунак для людзей, якія падымаюцца на высокія ўзгоркі, Medical Exoskeleton - экзоскелет для людзей з фізічнымі магчымасцямі. парушэнні рухомасці ніжніх канечнасцяў.

8. Прататып Sarcos XOS 2 у дзеянні

тэкст

2010 - з'яўляецца XOS 2 (8) - працяг экзоскелета XOS ад Sarcos. Першым чынам, новая канструкцыя стала лягчэй і надзейней, дазваляючы паднімаць у статыцы грузы вагай да 90 кг. Прылада нагадвае кібарга. Упраўленне заснавана на трыццаці выканаўчых механізмах, якія дзейнічаюць як штучныя суставы. Экзашкілет змяшчае некалькі датчыкаў, якія перадаюць сігналы выканаўчым механізмам праз кампутар. Такім чынам, адбываецца плыўнае і бесперапыннае кіраванне, і карыстач не адчувае якіх-небудзь значных намаганняў. Вага XOS складае 68 кг.

2011-цяперашні час – Упраўленне па санітарным наглядзе за якасцю харчовых прадуктаў і медыкаментаў ЗША (FDA) ухваляе медыцынскі экзашкілет ReWalk (9). Гэта сістэма, якая выкарыстоўвае сілавыя элементы для ўмацавання ног і дазваляе людзям з паралічам ніжніх канечнасцяў стаяць прама, хадзіць і паднімацца па ўсходах. Энергія забяспечваецца ранцавай батарэяй. Упраўленне ажыццяўляецца з дапамогай простага ручнога пульта, які вызначае і карэктуе рухі карыстальніка. Усё гэта было распрацавана Амітам Гофферам з Ізраіля і прадаецца кампаніяй ReWalk Robotics Ltd (першапачаткова Argo Medical Technologies) прыкладна за 85 тысяч злотых. долараў.

9. Людзі ходзяць у экзоскелет ReWalk

На момант выпуску абсталяванне было даступна ў двух версіях - ReWalk I і ReWalk P. Першая выкарыстоўваецца медыцынскімі ўстановамі ў даследчых або тэрапеўтычных мэтах пад назіраннем медыцынскага работніка. ReWalk P прызначаны для асабістага выкарыстання пацыентамі дома ці ў грамадскіх месцах. У студзені 2013 года была выпушчана абноўленая версія ReWalk Rehabilitation 2.0. Гэта палепшыла пасадку для больш высокіх людзей і палепшыла кіравальнае праграмнае забеспячэнне. ReWalk патрабуе, каб карыстач выкарыстаў мыліцы. У якасці супрацьпаказанняў згадваюцца сардэчна-сасудзістыя захворванні і далікатнасць костак. Абмежаваннем таксама з'яўляецца рост, у межах 1,6-1,9 м, і маса цела да 100 кг. Гэта адзіны экзашкілет, у якім можна кіраваць аўтамабілем.

10. eLEGS фірмы Ex Bionics

2012 – Ekso Bionics, раней вядомая як Berkeley Bionics, прадстаўляе свой медыцынскі экзоскелет. Праект стартаваў двума гадамі раней пад назвай eLEGS (10), і прызначаўся для рэабілітацыі людзей з рознай ступенню паралічу. Як і ReWalk, канструкцыя патрабуе выкарыстання мыліц. Акумулятар забяспечвае энергіяй не менш за шэсць гадзін выкарыстання. Камплект Экса каштуе каля 100 тысяч. долараў. У Польшчы вядомы праект экзашкілета Ekso GT — медыцынскай прылады, прызначанай для працы з неўралагічнымі пацыентамі. Яго канструкцыя дазваляе хадзіць, у тым ліку людзі пасля інсультаў, траўмаў спіннога мозгу, хворыя на рассеяны склероз або з сіндромам Гійена-Барэ. Апаратура можа працаваць у некалькіх розных рэжымах - у залежнасці ад ступені дысфункцыі пацыента.

2013 - Mindwalker, кіраваны розумам праект экзоскелета, атрымлівае фінансаванне ад Еўрапейскага Звяза. Дызайн з'яўляецца вынікам супрацоўніцтва навукоўцаў са Свабоднага ўніверсітэта Бруселя і Фонду Санта-Лючыя ў Італіі. Даследнікі тэставалі розныя спосабы кіравання прыладай – яны лічаць, што лепш за ўсё працуе інтэрфейс мозг-нейра-кампутар (BNCI), які дазваляе кіраваць ім думкамі. Сігналы праходзяць паміж мозгам і кампутарам, абыходзячы спінны мозг. Mindwalker пераўтворыць сігналы ЭМГ, гэта значыць невялікія патэнцыялы (званыя миопотенциалами), якія з'яўляюцца на паверхні скуры чалавека пры працы цягліц, у электронныя каманды руху. Экзашкілет даволі лёгкі, важыць усяго 30 кг без батарэек. Ён вытрымае дарослага чалавека вагой да 100 кг.

2016 – Тэхнічны універсітэт ETH у Цюрыху, Швейцарыя, праводзіць першае спартовае спаборніцтва Cybathlon для людзей з абмежаванымі магчымасцямі, якія выкарыстоўваюць дапаможных робатаў. Адной з дысцыплін стала гонка экзашкілета на паласе перашкод для людзей з паралічам ніжніх канечнасцяў. У гэтай дэманстрацыі навыкаў і тэхналогій карыстачы экзоскелета павінны былі вырашаць такія задачы, як сядзець на канапе і ўставаць, хадзіць па схілах, ісці па камянях (як пры скрыжаванні плыткай горнай ракі) і паднімацца па ўсходах. Аказалася, што ніхто не змог справіцца з усімі практыкаваннямі, а самым хуткім камандам спатрэбілася больш за 50 хвілін, каб прайсці 8-метровую паласу перашкод. Наступнае мерапрыемства адбудзецца ў 2020 годзе як паказчык развіцця тэхналогіі экзашкілета.

2019 - Падчас летніх дэманстрацый у Вучэбным цэнтры камандас у брытанскім Лімпстане Рычард Браўнінг, вынаходнік і генеральны дырэктар Gravity Industries, прадэманстраваў свой рэактыўны касцюм-экзашкілет Daedalus Mark 1, які зрабіў вялікае ўражанне на вайскоўцаў, прычым не толькі брытанскіх. Шэсць невялікіх рэактыўных рухавікоў - два з іх устаноўлены ззаду і па дзве ў выглядзе дадатковых пар на кожнай руцэ - дазваляюць падымацца на вышыню да 600 м. Пакуль паліва хапае толькі на 10 хвілін палёту ...