Экзоскелеты

Хотя в последнее время все больше и больше слышно об экзоскелетах, оказывается, история этого изобретения уходит корнями в девятнадцатый век. Узнайте, как он изменился за десятилетия и как выглядели поворотные моменты в его эволюции. 

1. Иллюстрация из патента Николая Ягна

1890 — Первые новаторские идеи создания экзоскелета относятся к XIX веку. В 1890 г. Николас Ягн запатентовал в США (патент № US 420179 А) «Устройство для облегчения ходьбы, бега и прыжков» (1). Это был доспех из дерева, целью которого было увеличение скорости воина во время многокилометрового марша. Дизайн стал источником вдохновения для дальнейшего поиска оптимального решения.

1961 — В 60-х компания General Electric вместе с группой ученых из Университета Комелла начала работу над созданием электрогидравлического костюма, поддерживающего физические упражнения человека. Сотрудничество с военными в проекте Man Augmentation привело к разработке Hardiman (2). Целью проекта было создание костюма, который имитировал бы естественные движения человека, позволяя ему поднимать предметы весом почти 700 кг. Сам костюм весил столько же, но ощутимый вес составлял всего 20 кг.

2. Прототип теплообменника General Electric

Несмотря на успех проекта, оказалось, что полезность его ничтожна, а первоначальные экземпляры будут стоить дорого. Их ограниченные возможности мобильности и сложная система питания в конечном итоге сделали эти устройства непригодными для использования. В ходе испытаний выяснилось, что Hardiman может поднять только 350 кг, а при длительном использовании имеет склонность к опасным, нескоординированным движениям. От дальнейшей разработки прототипа отказались только от одной руки — устройство весило около 250 кг, но оно было столь же непрактичным, как и предыдущий экзоскелет.

70-е годы. — Из-за своего размера, веса, нестабильности и проблем с электропитанием Hardiman так и не поступил в производство, но в промышленном манипуляторе Man-Mate были использованы некоторые технологии 60-х годов. Права на технологию купила компания Western Space and Marine, основанная одним из инженеров GE. Продукт получил дальнейшее развитие, и сегодня он существует в виде большой роботизированной руки, которая с помощью силовой обратной связи может поднимать вес до 4500 кг, что делает ее идеальной для металлургической промышленности.

3. Экзоскелеты, построенные в Институте Михайло Пупина в Сербии.

1972 — Ранние активные экзоскелеты и роботы-гуманоиды были разработаны в Институте Михайло Пупина в Сербии группой под руководством проф. Миомир Вукобратович. Во-первых, системы движения на ногах были разработаны для поддержки реабилитации людей, страдающих параплегией (3). При разработке активных экзоскелетов в институте также разрабатывались методы анализа и контроля походки человека. Некоторые из этих достижений способствовали разработке современных высокопроизводительных роботов-гуманоидов. В 1972 году в ортопедической клинике Белграда был испытан активный экзоскелет с пневматическим приводом и электронным программированием для паралича нижних конечностей.

1985 — Инженер Лос-Аламосской национальной лаборатории строит экзоскелет под названием «Питмен», силовую броню для пехотинцев. Управление устройством было основано на датчиках, сканирующих поверхности черепа, размещенных в специальном шлеме. Учитывая возможности технологий того времени, это была слишком сложная конструкция, чтобы заниматься ее производством. Ограничением была прежде всего недостаточная вычислительная мощность компьютеров. Кроме того, обработка сигналов мозга и преобразование их в движения экзоскелета в то время оставались технически практически невозможными.

4. Экзоскелет Lifesuit, разработанный Монти Ридом.

1986 — Монти Рид, солдат армии США, сломавший позвоночник при прыжке с парашютом, разрабатывает экзоскелет спасательного костюма (4). Его вдохновили описания мобильных пехотных костюмов в научно-фантастическом романе Роберта Хайнлайна «Звездный десант», который он прочитал во время выздоровления в больнице. Однако Рид не начинал работу над созданием своего устройства до 2001 года. В 2005 году он испытал на себе прототип 4,8-го спасательного костюма, участвуя в гонке в честь Дня Святого Патрика в Сиэтле, штат Вашингтон. Разработчик утверждает, что установил рекорд скорости ходьбы в костюмах роботов, преодолев 4 километра со средней скоростью 14 км/ч. Прототип Lifesuit 1,6 смог пройти 92 км полностью заряженным и позволил поднять XNUMX кг.

1990-настоящее время — Первый прототип экзоскелета HAL был предложен Ёсиюки Санкаем (5), проф. Университет Цукуба. Санкаи потратил три года — с 1990 по 1993 год — на выявление нейронов, управляющих движением ног. Ему и его команде потребовалось еще четыре года, чтобы сделать прототип оборудования. Третий прототип HAL, разработанный в начале 22 века, был подключен к компьютеру. Сам аккумулятор весил почти 5 кг, что делало его очень непрактичным. Напротив, более поздняя модель HAL-10 весила всего 5 кг, а батарея и управляющий компьютер были обернуты вокруг талии пользователя. HAL-XNUMX в настоящее время представляет собой медицинский экзоскелет с четырьмя конечностями (хотя также доступна версия только для нижних конечностей), производимый японской компанией Cyberdyne Inc. в сотрудничестве с Университетом Цукуба.

5. Профессор Ёсиюки Санкай представляет одну из моделей экзоскелета.

Работает примерно 2 часа 40 минут как в помещении, так и на улице. Помогает поднимать тяжелые предметы. Расположение элементов управления и привода в контейнерах внутри корпуса позволило избавиться от столь характерного для большинства экзоскелетов «рюкзака», иногда напоминающего крупное насекомое. Люди с гипертонией, остеопорозом и любыми заболеваниями сердца должны проконсультироваться с врачом перед использованием HAL, а противопоказания включают, среди прочего, кардиостимулятор и беременность. В рамках программы HAL FIT производитель предлагает возможность использования лечебных сеансов с экзоскелетом как для больных, так и для здоровых людей. Конструктор HAL утверждает, что следующие этапы модернизации будут направлены на создание тонкого костюма, который позволит пользователю свободно передвигаться и даже бегать. 

2000 — проф. Хомаюн Казеруни и его команда в Ekso Bionics разрабатывают универсальный грузовой носитель для человека, или HULC (6) — беспроводной экзоскелет с гидравлическим приводом. Его назначение — помочь воюющим солдатам переносить грузы массой до 90 кг в течение длительного времени, с максимальной скоростью 16 км/ч. Система была представлена ​​публике на зимнем симпозиуме AUSA 26 февраля 2009 г., когда было достигнуто лицензионное соглашение с Lockheed Martin. Доминирующим материалом, используемым в этой конструкции, является титан — легкий, но относительно дорогой материал с высокими механическими и прочностными свойствами.

Экзоскелет оснащен присосками, позволяющими переносить предметы весом до 68 кг (подъемное устройство). Питание осуществляется от четырех литий-полимерных аккумуляторов, позволяющих обеспечить нормальную работу устройства при оптимальной нагрузке до 20 часов. Экзоскелет был испытан в различных условиях боя и с различными нагрузками. После серии успешных экспериментов осенью 2012 года его отправили в Афганистан, где он прошел испытания в ходе вооруженного конфликта. Несмотря на множество положительных отзывов, проект был приостановлен. Как оказалось, конструкция затрудняла выполнение определенных движений и фактически увеличивала нагрузку на мышцы, что противоречило общей идее ее создания.

2001 — Проект Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), изначально предназначенный в основном для армии, находится в стадии реализации. В его рамках были достигнуты перспективные результаты в виде автономных решений, имеющих практическое значение. Прежде всего, было создано роботизированное устройство, прикрепленное к нижней части тела, чтобы придать ногам дополнительную силу. Оборудование было профинансировано Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и разработано Лабораторией робототехники и инженерии человека Беркли — подразделением Калифорнийского университета, факультет машиностроения Беркли. Экзоскелетная система Беркли дает солдатам возможность нести большие грузы с минимальными усилиями и по любому типу местности, такие как продукты питания, спасательное оборудование, аптечки, средства связи и оружие. Помимо военного применения, BLEEX в настоящее время разрабатывает гражданские проекты. Лаборатория робототехники и инженерии человека в настоящее время исследует следующие решения: ExoHiker — экзоскелет, предназначенный в основном для участников экспедиций, где есть необходимость в транспортировке тяжелого оборудования, ExoClimber — снаряжение для людей, поднимающихся на высокие холмы, Medical Exoskeleton — экзоскелет для людей с ограниченными физическими возможностями. нарушения подвижности нижних конечностей.

8. Прототип Sarcos XOS 2 в действии

текст

2010 — появляется XOS 2 (8) — продолжение экзоскелета XOS от Sarcos. Прежде всего, новая конструкция стала легче и надежнее, позволяя поднимать в статике грузы весом до 90 кг. Устройство напоминает киборга. Управление основано на тридцати исполнительных механизмах, которые действуют как искусственные суставы. Экзоскелет содержит несколько датчиков, которые передают сигналы исполнительным механизмам через компьютер. Таким образом, происходит плавное и непрерывное управление, и пользователь не чувствует каких-либо значительных усилий. Вес XOS составляет 68 кг.

2011-настоящее время — Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобряет медицинский экзоскелет ReWalk (9). Это система, которая использует силовые элементы для укрепления ног и позволяет людям с параличом нижних конечностей стоять прямо, ходить и подниматься по лестнице. Энергия обеспечивается ранцевой батареей. Управление осуществляется с помощью простого ручного пульта, который определяет и корректирует движения пользователя. Все это было разработано Амитом Гоффером из Израиля и продается компанией ReWalk Robotics Ltd (первоначально Argo Medical Technologies) примерно за 85 тысяч злотых. долларов.

9. Люди ходят в экзоскелетах ReWalk

На момент выпуска оборудование было доступно в двух версиях — ReWalk I и ReWalk P. Первая используется медицинскими учреждениями в исследовательских или терапевтических целях под наблюдением медицинского работника. ReWalk P предназначен для личного использования пациентами дома или в общественных местах. В январе 2013 года была выпущена обновленная версия ReWalk Rehabilitation 2.0. Это улучшило посадку для более высоких людей и улучшило управляющее программное обеспечение. ReWalk требует, чтобы пользователь использовал костыли. В качестве противопоказаний упоминаются сердечно-сосудистые заболевания и хрупкость костей. Ограничением также является рост, в пределах 1,6-1,9 м, и масса тела до 100 кг. Это единственный экзоскелет, в котором можно управлять автомобилем.

10. eLEGS фирмы Ex Bionics

2012 — Ekso Bionics, ранее известная как Berkeley Bionics, представляет свой медицинский экзоскелет. Проект стартовал двумя годами ранее под названием eLEGS (10), и предназначался для реабилитации людей с разной степенью паралича. Как и ReWalk, конструкция требует использования костылей. Аккумулятор обеспечивает энергией не менее шести часов использования. Комплект Эксо стоит около 100 тысяч. долларов. В Польше известен проект экзоскелета Ekso GT — медицинского устройства, предназначенного для работы с неврологическими пациентами. Его конструкция позволяет ходить, в том числе люди после инсультов, травм спинного мозга, больные рассеянным склерозом или с синдромом Гийена-Барре. Аппаратура может работать в нескольких разных режимах – в зависимости от степени дисфункции пациента.

2013 — Mindwalker, управляемый разумом проект экзоскелета, получает финансирование от Европейского Союза. Дизайн является результатом сотрудничества ученых из Свободного университета Брюсселя и Фонда Санта-Лючия в Италии. Исследователи тестировали разные способы управления устройством — они считают, что лучше всего работает интерфейс мозг-нейро-компьютер (BNCI), который позволяет управлять им мыслями. Сигналы проходят между мозгом и компьютером, минуя спинной мозг. Mindwalker преобразует сигналы ЭМГ, то есть небольшие потенциалы (называемые миопотенциалами), которые появляются на поверхности кожи человека при работе мышц, в электронные команды движения. Экзоскелет довольно легкий, весит всего 30 кг без батареек. Он выдержит взрослого человека весом до 100 кг.

2016 — Технический университет ETH в Цюрихе, Швейцария, проводит первое спортивное соревнование Cybathlon для людей с ограниченными возможностями, использующих вспомогательных роботов. Одной из дисциплин стала гонка экзоскелета на полосе препятствий для людей с параличом нижних конечностей. В этой демонстрации навыков и технологий пользователи экзоскелета должны были решать такие задачи, как сидеть на диване и вставать, ходить по склонам, ступать по камням (как при пересечении мелководной горной реки) и подниматься по лестнице. Оказалось, что никто не смог справиться со всеми упражнениями, а самым быстрым командам потребовалось более 50 минут, чтобы пройти 8-метровую полосу препятствий. Следующее мероприятие состоится в 2020 году как показатель развития технологии экзоскелета.

2019 — Во время летних демонстраций в Учебном центре коммандос в британском Лимпстоне Ричард Браунинг, изобретатель и генеральный директор Gravity Industries, продемонстрировал свой реактивный костюм-экзоскелет Daedalus Mark 1, который произвел огромное впечатление на военных, причем не только британских. Шесть небольших реактивных двигателей — два из них установлены сзади и по две в виде дополнительных пар на каждой руке — позволяют подниматься на высоту до 600 м. Пока топлива хватает лишь на 10 минут полета…