Exoskeletten

Hoewel er de laatste tijd steeds meer over exoskeletten wordt gehoord, blijkt dat de geschiedenis van deze uitvinding teruggaat tot de negentiende eeuw. Ontdek hoe het de afgelopen decennia is veranderd en hoe de keerpunten in zijn evolutie eruit zagen. 

1. Illustratie uit het patent van Nikolai Yagn

1890 – De eerste innovatieve ideeën voor het maken van een exoskelet dateren uit de 1890e eeuw. In 420179 patenteerde Nicholas Yagn in de Verenigde Staten (patent nr. US XNUMX A) "Een apparaat om lopen, rennen en springen te vergemakkelijken" (1). Het was een harnas gemaakt van hout, met als doel de snelheid van een krijger te verhogen tijdens een mars van vele kilometers. Het ontwerp werd een inspiratiebron voor verdere zoektocht naar de optimale oplossing.

1961 - In de jaren 60 begon General Electric samen met een groep wetenschappers van de Universiteit van Comell te werken aan de creatie van een elektrohydraulisch pak dat menselijke oefeningen ondersteunt. Samenwerking met het leger aan het Man Augmentation-project leidde tot de ontwikkeling van de Hardiman (2). Het doel van het project was om een ​​pak te creëren dat de natuurlijke bewegingen van een mens nabootst, waardoor hij voorwerpen kan tillen die bijna 700 kg wegen. Het kostuum zelf woog hetzelfde, maar het tastbare gewicht was slechts 20 kg.

2. Prototype-warmtewisselaar van General Electric

Ondanks het succes van het project bleek het nut ervan te verwaarlozen en zouden de eerste exemplaren duur zijn. Hun beperkte mobiliteitsmogelijkheden en complexe energiesysteem maakten deze apparaten uiteindelijk onbruikbaar. Tijdens het testen bleek dat Hardiman slechts 350 kg kan tillen en bij langdurig gebruik de neiging heeft tot gevaarlijke, ongecoördineerde bewegingen. Bij de verdere ontwikkeling van het prototype werd slechts één arm verlaten - het apparaat woog ongeveer 250 kg, maar het was net zo onpraktisch als het vorige exoskelet.

Jaren 70 “Vanwege zijn grootte, gewicht, instabiliteit en stroomproblemen is de Hardiman nooit in productie gegaan, maar de industriële Man-Mate gebruikte wat technologie uit de jaren 60. De rechten op de technologie zijn gekocht door Western Space and Marine, opgericht door een van de GE-ingenieurs. Het product is doorontwikkeld en bestaat vandaag de dag in de vorm van een grote robotarm die tot 4500 kg kan tillen door middel van forcefeedback, waardoor het ideaal is voor de staalindustrie.

3. Exoskeletten gebouwd bij het Mihailo Pupin Instituut in Servië.

1972 – Vroege actieve exoskeletten en mensachtige robots werden ontwikkeld aan het Mihailo Pupin Institute in Servië door een groep onder leiding van prof. Miomir Vukobratovich. Ten eerste zijn beenbewegingssystemen ontwikkeld om de revalidatie van mensen met een dwarslaesie te ondersteunen (3). Bij de ontwikkeling van actieve exoskeletten ontwikkelde het instituut ook methoden voor het analyseren en controleren van het menselijk looppatroon. Sommige van deze ontwikkelingen hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van de hedendaagse, krachtige mensachtige robots. In 1972 werd een actief pneumatisch exoskelet met elektronische programmering voor verlamming van de onderste ledematen getest in een orthopedische kliniek in Belgrado.

1985 “Een ingenieur van het Los Alamos National Laboratory bouwt een exoskelet genaamd de Pitman, krachtpantser voor infanteristen. De besturing van het apparaat was gebaseerd op sensoren die het oppervlak van de schedel scannen, geplaatst in een speciale helm. Gezien de mogelijkheden van de technologie van die tijd, was het een te complex ontwerp om te vervaardigen. De beperking was vooral de onvoldoende rekenkracht van computers. Daarnaast bleef het verwerken van hersensignalen en het omzetten daarvan in bewegingen van het exoskelet in die tijd technisch vrijwel onmogelijk.

4. Exoskelet zwempak, ontworpen door Monty Reed.

1986 - Monty Reed, soldaat van het Amerikaanse leger die zijn ruggengraat brak tijdens het parachutespringen, ontwikkelt een exoskelet van een overlevingspak (4). Hij werd geïnspireerd door de beschrijvingen van mobiele infanteriepakken in de sciencefictionroman Starship Troopers van Robert Heinlein, die hij las terwijl hij aan het herstellen was in het ziekenhuis. Reed begon echter pas in 2001 met zijn apparaat. In 2005 testte hij een prototype 4,8 reddingspak tijdens de St. Patrick's Day-race in Seattle, Washington. De ontwikkelaar beweert een loopsnelheidsrecord te hebben gevestigd in robotpakken, waarbij hij 4 kilometer aflegt met een gemiddelde snelheid van 14 km/u. Het prototype Lifesuit 1,6 kon volledig opgeladen 92 km afleggen en XNUMX kg tillen.

1990-heden - Het eerste prototype van het HAL-exoskelet werd voorgesteld door Yoshiyuki Sankai (5), prof. Universiteit van Tsukuba. Sankai heeft drie jaar lang – van 1990 tot 1993 – de neuronen geïdentificeerd die de beenbewegingen controleren. Het kostte hem en zijn team nog eens vier jaar om een ​​prototype van de apparatuur te maken. Het derde HAL-prototype, ontwikkeld in het begin van de 22e eeuw, was aangesloten op een computer. De batterij zelf woog bijna 5 kg, wat hem erg onpraktisch maakte. Het latere model HAL-10 woog daarentegen slechts 5 kg en had de batterij en de bedieningscomputer om het middel van de gebruiker gewikkeld. HAL-XNUMX is momenteel een medisch exoskelet met vier ledematen (hoewel er ook een versie met alleen de onderste ledematen beschikbaar is), vervaardigd door het Japanse bedrijf Cyberdyne Inc. in samenwerking met de Universiteit van Tsukuba.

5. Professor Yoshiyuki Sankai presenteert een van de exoskeletmodellen.

Werkt ongeveer 2 uur en 40 minuten, zowel binnen als buiten. Helpt bij het tillen van zware voorwerpen. De locatie van de bedieningselementen en de aandrijving in containers in de behuizing maakten het mogelijk om de "rugzak" kwijt te raken die zo kenmerkend is voor de meeste exoskeletten, die soms lijkt op een groot insect. Mensen met hypertensie, osteoporose en elke hartaandoening moeten een arts raadplegen voordat ze HAL gebruiken, en contra-indicaties omvatten, maar zijn niet beperkt tot, een pacemaker en zwangerschap. Als onderdeel van het HAL FIT-programma biedt de fabrikant de mogelijkheid om behandelsessies met een exoskelet in te zetten voor zowel zieke als gezonde mensen. Ontwerper HAL beweert dat de volgende fasen van de upgrade zich zullen concentreren op het creëren van een dun pak waarmee de gebruiker zich vrij kan bewegen en zelfs kan rennen. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni en zijn team bij Ekso Bionics ontwikkelen een Universal Human Cargo Carrier, of HULC (6) is een draadloos exoskelet met hydraulische aandrijving. Het doel is om strijdende soldaten te helpen ladingen tot 90 kg gedurende lange tijd te dragen, met een maximale snelheid van 16 km / u. Het systeem werd aan het publiek onthuld tijdens het AUSA Winter Symposium op 26 februari 2009, toen een licentieovereenkomst werd bereikt met Lockheed Martin. Het dominante materiaal dat in dit ontwerp wordt gebruikt, is titanium, een lichtgewicht maar relatief duur materiaal met hoge mechanische en sterkte-eigenschappen.

Het exoskelet is voorzien van zuignappen waarmee je voorwerpen met een gewicht tot 68 kg kunt dragen (hefinrichting). De stroom wordt geleverd door vier lithium-polymeerbatterijen, die de normale werking van het apparaat bij optimale belasting tot 20 uur garanderen. Het exoskelet werd getest in verschillende gevechtsomstandigheden en met verschillende belastingen. Na een reeks succesvolle experimenten werd hij in het najaar van 2012 naar Afghanistan gestuurd, waar hij werd getest tijdens een gewapend conflict. Ondanks veel positieve recensies werd het project in de wacht gezet. Het bleek dat het ontwerp het moeilijk maakte om bepaalde bewegingen uit te voeren en feitelijk de belasting van de spieren verhoogde, wat in tegenspraak was met het algemene idee van de creatie ervan.

2001 – Het project Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), oorspronkelijk vooral bedoeld voor het leger, loopt. In dat kader zijn veelbelovende resultaten geboekt in de vorm van autonome oplossingen van praktisch belang. Allereerst is er een robot gemaakt, bevestigd aan het onderlichaam om de benen extra kracht te geven. De apparatuur werd gefinancierd door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en ontwikkeld door het Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, een afdeling van de University of California, Berkeley Mechanical Engineering Department. Het exoskeletsysteem van Berkeley geeft soldaten de mogelijkheid om grote ladingen te vervoeren met minimale inspanning en over elk type terrein, zoals voedsel, reddingsuitrusting, EHBO-koffers, communicatiemiddelen en wapens. Naast militaire toepassingen ontwikkelt BLEEX momenteel civiele projecten. Het Robotics and Human Engineering Laboratory onderzoekt momenteel de volgende oplossingen: ExoHiker - een exoskelet dat voornamelijk is ontworpen voor expeditieleden die zwaar materieel moeten vervoeren, ExoClimber - uitrusting voor mensen die hoge heuvels beklimmen, Medical Exoskelet - een exoskelet voor mensen met een handicap fysieke mogelijkheden. mobiliteitsstoornissen van de onderste ledematen.

8. Prototype Sarcos XOS 2 in actie

текст

2010 – XOS 2 verschijnt (8) is een voortzetting van het XOS-exoskelet van Sarcos. Allereerst is het nieuwe ontwerp lichter en betrouwbaarder geworden, waardoor u statisch lasten tot 90 kg kunt heffen. Het apparaat lijkt op een cyborg. De besturing is gebaseerd op dertig actuatoren die fungeren als kunstgewrichten. Het exoskelet bevat verschillende sensoren die via een computer signalen naar de actuatoren sturen. Op deze manier vindt een soepele en continue werking plaats en voelt de gebruiker geen noemenswaardige inspanning. XOS-gewicht is 68 kg.

2011-heden – De Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) keurt het ReWalk medische exoskelet goed (9). Het is een systeem dat gebruik maakt van krachtelementen om de benen te versterken en mensen met een verlamming in staat stelt rechtop te staan, te lopen en trappen te beklimmen. Energie wordt geleverd door een rugzakbatterij. De bediening gebeurt met een eenvoudige handafstandsbediening die de bewegingen van de gebruiker detecteert en corrigeert. Het hele ding is ontworpen door Amit Goffer uit Israël en wordt verkocht door ReWalk Robotics Ltd (oorspronkelijk Argo Medical Technologies) voor ongeveer PLN 85. dollar.

9. Mensen lopen in ReWalk-exoskeletten

Op het moment van uitgave was de apparatuur beschikbaar in twee versies: ReWalk I en ReWalk P. De eerste wordt door medische instellingen gebruikt voor onderzoeks- of therapeutische doeleinden onder toezicht van een medische professional. ReWalk P is bedoeld voor persoonlijk gebruik door patiënten thuis of in openbare ruimtes. In januari 2013 werd een bijgewerkte versie van ReWalk Rehabilitation 2.0 uitgebracht. Dit verbeterde de pasvorm voor langere mensen en verbeterde de besturingssoftware. ReWalk vereist dat de gebruiker krukken gebruikt. Hart- en vaatziekten en botfragiliteit worden als contra-indicaties genoemd. De beperking is ook de groei, binnen 1,6-1,9 m, en het lichaamsgewicht tot 100 kg. Dit is het enige exoskelet waarin je een auto kunt besturen.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, voorheen bekend als Berkeley Bionics, onthult zijn medische exoskelet. Het project startte twee jaar eerder onder de naam eLEGS (10), en was bedoeld voor de revalidatie van mensen met verschillende gradaties van verlamming. Net als ReWalk vereist de constructie het gebruik van krukken. De batterij levert energie voor minimaal zes uur gebruik. Exo-set kost ongeveer 100 duizend. dollar. In Polen is het project van het exoskelet Ekso GT bekend, een medisch apparaat ontworpen om te werken met neurologische patiënten. Het ontwerp maakt lopen mogelijk, ook voor mensen na een beroerte, ruggenmergletsel, patiënten met multiple sclerose of met het Guillain-Barré-syndroom. De apparatuur kan in verschillende modi werken, afhankelijk van de mate van disfunctie van de patiënt.

2013 – Mindwalker, een door de geest bestuurd exoskeletproject, ontvangt financiering van de Europese Unie. Het ontwerp is het resultaat van een samenwerking tussen wetenschappers van de Vrije Universiteit Brussel en de Santa Lucia Foundation in Italië. De onderzoekers testten verschillende manieren om het apparaat te besturen - ze geloven dat de brain-neuro-computer interface (BNCI) het beste werkt, waardoor je het met gedachten kunt besturen. Signalen gaan tussen de hersenen en de computer, waarbij ze het ruggenmerg omzeilen. Mindwalker zet EMG-signalen, dat wil zeggen kleine potentiëlen (myopotentialen genoemd) die op het oppervlak van iemands huid verschijnen wanneer spieren werken, om in elektronische bewegingsopdrachten. Het exoskelet is vrij licht en weegt slechts 30 kg zonder batterijen. Het ondersteunt een volwassene met een gewicht tot 100 kg.

2016 – De ETH Technische Universiteit in Zürich, Zwitserland, organiseert de eerste Cybathlon-sportwedstrijd voor mensen met een handicap met behulp van ondersteunende robots. Een van de disciplines was de exoskeletrace op een hindernisbaan voor mensen met verlamming van de onderste ledematen. In deze demonstratie van vaardigheden en technologie moesten exoskeletgebruikers taken uitvoeren zoals op een bank zitten en opstaan, op hellingen lopen, op rotsen stappen (zoals bij het oversteken van een ondiepe bergrivier) en traplopen. Het bleek dat niemand alle oefeningen onder de knie had, en het kostte de snelste teams meer dan 50 minuten om de hindernisbaan van 8 meter te voltooien. Het volgende evenement vindt plaats in 2020 als indicator van de ontwikkeling van exoskelettechnologie.

2019 – Tijdens zomerdemonstraties in het Commando Training Centre in Lympston, UK, toonde Richard Browning, uitvinder en CEO van Gravity Industries, zijn Daedalus Mark 1 exoskelet jetsuit, dat grote indruk maakte op het leger, en niet alleen op de Britten. Zes kleine straalmotoren - waarvan er twee aan de achterkant zijn geïnstalleerd en twee in de vorm van extra paren aan elke arm - laten je klimmen tot een hoogte van maximaal 600 m. Tot nu toe is er slechts genoeg brandstof voor 10 minuten vlucht ...