Dış iskeletler

Son zamanlarda dış iskelet hakkında daha çok şey duysak da, bu buluşun tarihinin 19. yüzyıla kadar uzandığı ortaya çıktı. On yıllar boyunca nasıl değiştiğini ve evrimindeki dönüm noktalarının neye benzediğini öğrenin. 

1. Nikolai Yagna'nın patentinden örnek

1890 – Dış iskelet oluşturmaya yönelik ilk yenilikçi fikirler 1890. yüzyıla kadar uzanıyor. 420179 yılında Nicholas Yagn Amerika Birleşik Devletleri'nde patentini aldı (Patent No. US XNUMX A) “Yürümeyi, koşmayı ve zıplamayı kolaylaştıran bir cihaz” (1). Amacı, çok kilometrelik bir yürüyüş sırasında bir savaşçının hızını artırmak olan ahşaptan yapılmış bir zırhtı. Tasarım, en uygun çözümün daha fazla araştırılması için bir ilham kaynağı haline geldi.

1961 – 60'lı yıllarda General Electric, Comella Üniversitesi'nden bir grup bilim adamıyla birlikte insan egzersizini destekleyecek bir elektro-hidrolik elbise yaratmak için çalışmaya başladı. İnsan Büyütme projesinde orduyla işbirliği, Hardiman'ın geliştirilmesine yol açtı (2). Projenin amacı, insanın doğal hareketlerini taklit ederek yaklaşık 700 kg ağırlığındaki nesneleri kaldırmasına olanak tanıyan bir takım elbise yaratmaktı. Elbisenin kendisi de aynı ağırlığa sahipti ancak somut ağırlık yalnızca 20 kg'dı.

2. General Electric ısı eşanjörü prototipi

Projenin başarısına rağmen kullanışlılığının göz ardı edilebilir olduğu ve ilk kopyaların pahalı olacağı ortaya çıktı. Sınırlı mobilite seçenekleri ve karmaşık güç sistemleri sonuçta bu cihazları kullanılamaz hale getirdi. Testler sırasında Hardiman'ın yalnızca 350 kg kaldırabildiği ve uzun süre kullanıldığında tehlikeli, koordinasyonsuz hareketler yapma eğiliminde olduğu tespit edildi. Prototipin daha da geliştirilmesinden yalnızca bir kol çıkarıldı; cihaz yaklaşık 250 kg ağırlığındaydı, ancak önceki dış iskelet kadar kullanışsızdı.

70-ler. – Boyutu, ağırlığı, istikrarsızlığı ve güç sorunları nedeniyle Hardiman hiçbir zaman üretime geçemedi ancak Man-Mate endüstriyel kolu 60'ların teknolojisini bünyesine kattı. Teknolojinin hakları, GE mühendislerinden biri tarafından kurulan Western Space and Marine tarafından satın alındı. Ürün daha da geliştirildi ve bugün, kuvvet geri bildirimi kullanarak 4500 kg'a kadar ağırlıkları kaldırabilen ve onu çelik endüstrisi için ideal kılan büyük bir robotik kol biçiminde mevcuttur.

3. Sırbistan'daki Mihajlo Pupin Enstitüsü'nde inşa edilen dış iskeletler.

1972 – İlk aktif dış iskeletler ve insansı robotlar, Sırbistan'daki Mihajlo Pupin Enstitüsü'nde Prof. Miomir Vukobratovich. İlk olarak omuriliği felçli kişilerin rehabilitasyonunu desteklemek amacıyla bacaklı hareket sistemleri geliştirilmiştir.3). Enstitü, aktif dış iskeletler geliştirirken aynı zamanda insan yürüyüşünü analiz etmek ve kontrol etmek için yöntemler de geliştirdi. Bu ilerlemelerden bazıları günümüzün yüksek performanslı insansı robotlarının geliştirilmesine katkıda bulunmuştur. 1972'de belden aşağısı felçli kişiler için pnömatik tahrikli ve elektronik programlamalı aktif bir dış iskelet Belgrad'daki bir ortopedi kliniğinde test edildi.

1985 – Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'ndaki bir mühendis, piyadeler için güç zırhı olan Pitman adında bir dış iskelet inşa ediyor. Cihazın kontrolü, özel bir kaskın içine yerleştirilmiş kafatasının yüzeyini tarayan sensörlere dayanıyordu. O zamanın teknolojisinin yetenekleri göz önüne alındığında üretilemeyecek kadar karmaşık bir tasarımdı. Sınırlama öncelikle bilgisayarların yetersiz bilgi işlem gücünden kaynaklanıyordu. Ayrıca beyin sinyallerini işlemek ve bunları dış iskelet hareketlerine dönüştürmek o dönemde teknik olarak neredeyse imkansızdı.

4. Monty Reed tarafından tasarlanan cankurtaran kıyafeti dış iskeleti.

1986 - Paraşütle atlama sırasında omurgasını kıran ABD Ordusu askeri Monty Reed, hayatta kalma kıyafeti için bir dış iskelet geliştiriyor (4). Hastanede iyileşirken okuduğu Robert Heinlein'in bilim kurgu romanı Starship Troopers'daki hareketli piyade kıyafetlerinin açıklamalarından ilham aldı. Ancak Reed, 2001 yılına kadar cihazı üzerinde çalışmaya başlamadı. 2005 yılında Seattle, Washington'daki St. Patrick Günü yarışında 4,8 kalibrelik kaçış kıyafeti prototipini test etti. Geliştirici, robot kıyafetleriyle ortalama 4 km/saat hızla 14 kilometre yol kat ederek yürüme hızı rekoru kırdığını iddia ediyor. Lifesuit 1,6 prototipi tam şarjla 92 km yol kat edebiliyor ve XNUMX kg kaldırabiliyordu.

1990-günümüz – HAL dış iskeletinin ilk prototipi Yoshiyuki Sankai tarafından önerildi (5), Prof. Tsukuba Üniversitesi. Sankai, 1990'dan 1993'e kadar üç yılını bacak hareketini kontrol eden nöronları tanımlamak için harcadı. Ekipmanın prototipini oluşturmak onun ve ekibinin dört yılını daha aldı. 22. yüzyılın başlarında geliştirilen üçüncü HAL prototipi bir bilgisayara bağlandı. Pilin kendisi neredeyse 5 kg ağırlığındaydı, bu da onu çok kullanışsız hale getiriyordu. Buna karşılık, daha sonraki HAL-10 modeli yalnızca 5 kg ağırlığındaydı ve pil ile kontrol bilgisayarı kullanıcının beline sarılıydı. HAL-XNUMX şu anda Japon Cyberdyne Inc. şirketi tarafından üretilen dört uzuvlu bir tıbbi dış iskelettir (ancak yalnızca alt uzuvlara yönelik bir versiyon da mevcuttur). Tsukuba Üniversitesi ile işbirliği içinde.

5. Profesör Yoshiyuki Sankai dış iskelet modellerinden birini sunuyor.

İç ve dış mekanlarda yaklaşık 2 saat 40 dakika çalışır. Ağır nesnelerin kaldırılmasına yardımcı olur. Kontrol ve tahrik elemanlarının gövde içindeki kaplarda düzenlenmesi, çoğu dış iskeletin karakteristik özelliği olan, bazen büyük bir böceğe benzeyen "sırt çantasından" kurtulmayı mümkün kıldı. Hipertansiyon, osteoporoz ve herhangi bir kalp hastalığı olan kişilerin HAL kullanmadan önce bir doktora danışması gerekir ve kontrendikasyonlar arasında kalp pili ve hamilelik sayılabilir ancak bunlarla sınırlı değildir. HAL FIT programının bir parçası olarak üretici, hem hasta hem de sağlıklı insanlar için dış iskeletle terapötik seanslar kullanma olanağı sunuyor. Tasarımcı HAL, modernizasyonun sonraki aşamalarının kullanıcının özgürce hareket etmesine ve hatta koşmasına olanak tanıyacak ince bir takım elbise yaratmayı hedefleyeceğini iddia ediyor. 

2000 – prof. Homayoun Kazerouni ve Ekso Bionics'teki ekibi İnsan Evrensel Kargo Taşıyıcısını veya HULC'yi geliştiriyor (6) hidrolik tahrikli kablosuz bir dış iskelettir. Amacı, savaşan askerlerin 90 kg'a kadar olan yükleri maksimum 16 km/saat hızla uzun süre taşımalarına yardımcı olmaktır. Sistem, 26 Şubat 2009'da AUSA Kış Sempozyumu'nda Lockheed Martin ile lisans anlaşması imzalanarak kamuoyuna tanıtıldı. Bu tasarımda kullanılan baskın malzeme, yüksek mekanik ve mukavemet özelliklerine sahip, hafif ancak nispeten pahalı bir malzeme olan titanyumdur.

Dış iskelet, 68 kg'a kadar olan nesneleri (kaldırma cihazı) taşımasına olanak tanıyan vantuzlarla donatılmıştır. Güç, cihazın 20 saate kadar optimum yükte normal çalışmasını sağlayan dört lityum polimer pilden sağlanır. Dış iskelet çeşitli savaş koşullarında ve çeşitli yüklerle test edildi. Bir dizi başarılı deneyin ardından 2012 sonbaharında silahlı çatışma sırasında test edildiği Afganistan'a gönderildi. Pek çok olumlu eleştiriye rağmen proje askıya alındı. Anlaşıldığı üzere, tasarım belirli hareketleri gerçekleştirmeyi zorlaştırdı ve aslında kaslar üzerindeki yükü artırdı, bu da yaratılışının genel fikriyle çelişiyordu.

2001 – Başlangıçta öncelikle Orduya yönelik olan Berkeley Alt Ekstremite Dış İskeleti (BLEEX) projesi devam ediyor. Çerçevesinde, pratik öneme sahip özerk çözümler şeklinde umut verici sonuçlar elde edildi. İlk olarak bacaklara ekstra güç kazandırmak için gövdenin alt kısmına takılan robotik bir cihaz oluşturuldu. Ekipman, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) tarafından finanse edildi ve Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley Makine Mühendisliği Bölümü'nün bir bölümü olan Berkeley Robotik ve İnsan Mühendisliği Laboratuvarı tarafından geliştirildi. Berkeley'in dış iskelet sistemi askerlere, yiyecek, kurtarma ekipmanı, ilk yardım çantaları, iletişim ekipmanı ve silahlar gibi büyük yükleri minimum çabayla ve her türlü arazide taşıma yeteneği veriyor. BLEEX şu anda askeri uygulamaların yanı sıra sivil projeler de geliştiriyor. Robotik ve İnsan Mühendisliği Laboratuvarı şu anda aşağıdaki çözümleri araştırıyor: ExoHiker - ağırlıklı olarak ağır ekipmanların taşınması gereken keşif katılımcıları için tasarlanmış bir dış iskelet, ExoClimber - yüksek tepelere tırmanan insanlar için ekipman, Medical Exoskeleton - engelli insanlar için bir dış iskelet engelli fiziksel yetenekler. alt ekstremitelerin hareket kabiliyetinin ihlali.

8. Sarcos XOS 2 prototipi iş başında

текст

2010 – XOS 2 görünür (8), Sarcos'un XOS dış iskeletinin bir devamıdır. Her şeyden önce, yeni tasarım daha hafif ve daha güvenilir hale geldi ve 90 kg'a kadar yüklerin statik olarak kaldırılmasına olanak sağladı. Cihaz bir cyborg'a benziyor. Kontrol, yapay eklemler gibi davranan otuz aktüatöre dayanmaktadır. Dış iskelet, sinyalleri bir bilgisayar aracılığıyla aktüatörlere ileten çeşitli sensörler içerir. Böylece kullanıcı herhangi bir efor sarfetmeden sorunsuz ve sürekli bir kontrol gerçekleşir. XOS'un ağırlığı 68 kg'dır.

2011-günümüz – ABD Gıda ve İlaç İdaresi (FDA), ReWalk tıbbi dış iskeletini onayladı (9). Bacakları güçlendirmek için kuvvet unsurlarını kullanan ve belden aşağısı felçli kişilerin dik durmasını, yürümesini ve merdiven çıkmasını sağlayan bir sistemdir. Enerji sırt çantasındaki pille sağlanıyor. Kontrol, kullanıcının hareketlerini algılayan ve düzelten basit bir elde tutulan uzaktan kumanda kullanılarak gerçekleştirilir. Tüm bunlar İsrail'den Amit Goffer tarafından geliştirildi ve ReWalk Robotics Ltd (orijinal adı Argo Medical Technologies) tarafından yaklaşık 85 bin PLN'ye satılıyor. dolar.

9. İnsanlar ReWalk dış iskeletlerinde yürüyor

Piyasaya sürüldüğü sırada ekipmanın iki versiyonu mevcuttu: ReWalk I ve ReWalk P. İlki, tıbbi kurumlar tarafından bir tıp uzmanının gözetiminde araştırma veya tedavi amaçlı kullanılıyor. ReWalk P, hastaların evde veya halka açık yerlerde kişisel kullanımına yöneliktir. Ocak 2013'te ReWalk Rehabilitasyon 2.0'ın güncellenmiş bir sürümü yayınlandı. Bu, uzun boylu insanlar için oturma pozisyonunu iyileştirdi ve kontrol yazılımını geliştirdi. ReWalk kullanıcının koltuk değneği kullanmasını gerektirir. Kontrendikasyon olarak kardiyovasküler hastalıklar ve kemik kırılganlığı belirtilmektedir. Sınırlamalar ayrıca 1,6-1,9 m aralığında boy ve 100 kg'a kadar vücut ağırlığıdır. Bu, araba sürebileceğiniz tek dış iskelettir.

10. Ex Bionics'ten eLEGS

2012 – Eski adıyla Berkeley Bionics olarak bilinen Ekso Bionics, tıbbi dış iskeletini tanıttı. Proje eLEGS adı altında iki yıl önce başladı (10) ve değişen derecelerde felçli kişilerin rehabilitasyonu için tasarlandı. ReWalk gibi tasarım da koltuk değneği kullanımını gerektiriyor. Pil en az altı saatlik kullanım için enerji sağlar. Exo kitinin maliyeti yaklaşık 100 bin. dolar. Polonya'da, nörolojik hastalarla çalışmak üzere tasarlanmış tıbbi bir cihaz olan Ekso GT dış iskelet projesi biliniyor. Tasarımı, felç geçiren kişiler, omurilik yaralanmaları, multipl skleroz veya Guillain-Barre sendromlu hastalar da dahil olmak üzere yürümeye izin verir. Ekipman, hastanın fonksiyon bozukluğunun derecesine bağlı olarak birkaç farklı modda çalışabilir.

2013 – Zihin kontrollü bir dış iskelet projesi olan Mindwalker, Avrupa Birliği'nden fon alıyor. Tasarım, Brüksel Özgür Üniversitesi'nden bilim adamları ile İtalya'daki Santa Lucia Vakfı arasındaki işbirliğinin sonucudur. Araştırmacılar cihazı kontrol etmenin farklı yollarını test ettiler; beyin-nöro-bilgisayar arayüzünün (BNCI) en iyi şekilde çalıştığına ve bu da onu düşüncelerinizle kontrol etmenize olanak tanıdığına inanıyorlar. Sinyaller, omuriliği atlayarak beyin ile bilgisayar arasında seyahat eder. Mindwalker, kaslar çalıştığında kişinin derisinin yüzeyinde görünen küçük potansiyeller (miyopotansiyeller olarak adlandırılır) olan EMG sinyallerini elektronik hareket komutlarına dönüştürür. Dış iskelet oldukça hafiftir ve piller olmadan yalnızca 30 kg ağırlığındadır. 100 kg'a kadar olan bir yetişkini destekleyebilir.

2016 – ETH Zürih, İsviçre, yardımcı robotlar kullanan engelli kişiler için ilk Saybatlon spor yarışmasına ev sahipliği yapıyor. Disiplinlerden biri, omuriliği felçli kişiler için engelli parkurda dış iskelet yarışıydı. Bu beceri ve teknoloji gösterisinde, dış iskelet kullanıcılarının kanepede oturmak ve ayakta durmak, yamaçlarda yürümek, kayalara basmak (sığ bir dağ nehrini geçerken olduğu gibi) ve merdiven çıkmak gibi görevleri yerine getirmesi gerekiyordu. Hiç kimsenin tüm egzersizleri tamamlayamadığı ve en hızlı takımların 50 metrelik engelli parkuru tamamlamasının 8 dakikadan fazla sürdüğü ortaya çıktı. Bir sonraki etkinlik, dış iskelet teknolojisinin gelişiminin bir göstergesi olarak 2020 yılında gerçekleşecek.

2019 – Gravity Industries'in mucidi ve CEO'su Richard Browning, İngiltere'nin Lympstone kentindeki Komando Eğitim Merkezi'ndeki yaz gösterileri sırasında, sadece İngilizler üzerinde değil, ordu üzerinde de büyük bir etki bırakan Daedalus Mark 1 dış iskelet jet kıyafetini sergiledi. Altı küçük jet motoru - ikisi arkaya monte edilmiş ve ikisi her kolda ek çiftler halinde - 600 m yüksekliğe çıkmanıza izin veriyor Şu ana kadar yakıt sadece 10 dakikalık uçuş için yeterli. ...