اسکلت های بیرونی

اگرچه اخیراً بیشتر و بیشتر در مورد اسکلت های بیرونی شنیده می شود، اما مشخص می شود که تاریخچه این اختراع به قرن نوزدهم باز می گردد. دریابید که چگونه در طول دهه ها تغییر کرده است و نقاط عطف تکامل آن چگونه بوده است. 

1. تصویر از ثبت اختراع نیکولای یاگن

1890 - اولین ایده های نوآورانه برای ایجاد اسکلت بیرونی به قرن نوزدهم بازمی گردد. در سال 1890، نیکلاس یاگن در ایالات متحده ثبت اختراع کرد (اختراع شماره 420179 A) "دستگاهی برای تسهیل راه رفتن، دویدن و پریدن" (1). این یک زره ساخته شده از چوب بود که هدف آن افزایش سرعت یک جنگجو در طول راهپیمایی چندین کیلومتری بود. این طرح منبع الهام برای جستجوی بیشتر برای راه حل بهینه شد.

1961 - در دهه 60، جنرال الکتریک، به همراه گروهی از دانشمندان دانشگاه کامل، کار بر روی ایجاد یک لباس الکترو هیدرولیک را آغاز کردند که از ورزش انسان پشتیبانی می کند. همکاری با ارتش در پروژه افزایش انسان منجر به توسعه هاردیمن شد.2). هدف از این پروژه ایجاد لباسی بود که حرکات طبیعی انسان را تقلید می کرد و به او اجازه می داد اشیایی با وزن تقریبا 700 کیلوگرم را بلند کند. وزن خود لباس به همان اندازه بود، اما وزن ملموس آن تنها 20 کیلوگرم بود.

2. نمونه اولیه مبدل حرارتی جنرال الکتریک

علیرغم موفقیت پروژه، معلوم شد که سودمندی آن ناچیز بوده و نسخه های اولیه گران تمام می شود. گزینه های تحرک محدود و سیستم قدرت پیچیده آنها در نهایت این دستگاه ها را غیرقابل استفاده کرد. در طول آزمایش مشخص شد که هاردیمن فقط می تواند 350 کیلوگرم وزنه بلند کند و با استفاده طولانی مدت تمایل به حرکات خطرناک و ناهماهنگ دارد. از توسعه بیشتر نمونه اولیه، تنها یک بازو رها شد - وزن دستگاه حدود 250 کیلوگرم بود، اما به اندازه اسکلت بیرونی قبلی غیر عملی بود.

دهه 70 به دلیل اندازه، وزن، ناپایداری و مشکلات قدرت، هاردیمن هرگز وارد مرحله تولید نشد، اما Man-Mate صنعتی از فناوری دهه 60 استفاده کرد. حقوق این فناوری توسط شرکت وسترن اسپیس و مارین که توسط یکی از مهندسان جنرال الکتریک تاسیس شده بود خریداری شد. این محصول بیشتر توسعه یافته است و امروزه به شکل یک بازوی رباتیک بزرگ وجود دارد که می تواند تا 4500 کیلوگرم را با استفاده از بازخورد نیرو بلند کند و آن را برای صنعت فولاد ایده آل می کند.

3. اسکلت های بیرونی ساخته شده در موسسه Mihailo Pupin در صربستان.

1972 - اسکلت های بیرونی فعال اولیه و روبات های انسان نما در موسسه Mihailo Pupin در صربستان توسط گروهی به سرپرستی پروفسور ساخته شد. میومیر ووکبراتوویچ. اول، سیستم های حرکتی پا برای حمایت از توانبخشی افرادی که از پاراپلژی رنج می برند توسعه داده شده است.3). هنگام توسعه اسکلت های بیرونی فعال، این موسسه روش هایی را برای تجزیه و تحلیل و کنترل راه رفتن انسان نیز توسعه داد. برخی از این پیشرفت ها به توسعه ربات های انسان نما با کارایی بالا کمک کرده است. در سال 1972، یک اسکلت بیرونی پنوماتیک فعال با برنامه ریزی الکترونیکی برای فلج اندام تحتانی در یک کلینیک ارتوپدی در بلگراد آزمایش شد.

1985 یک مهندس در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در حال ساخت یک اسکلت بیرونی به نام Pitman است که زره نیرو برای پیاده نظام است. کنترل دستگاه بر اساس حسگرهایی بود که سطح جمجمه را اسکن می‌کردند و در کلاه مخصوصی قرار می‌گرفتند. با توجه به قابلیت های فناوری آن زمان، طراحی آن برای ساخت بسیار پیچیده بود. محدودیت در درجه اول قدرت محاسباتی ناکافی کامپیوترها بود. علاوه بر این، پردازش سیگنال های مغز و تبدیل آنها به حرکات اسکلت بیرونی از نظر فنی در آن زمان غیرممکن بود.

4. Exoskeleton Lifesuit، طراحی شده توسط Monty Reed.

1986 - مونتی رید، سرباز ارتش ایالات متحده که در حین چتربازی ستون فقرات خود را شکست، یک اسکلت بیرونی لباس بقا ایجاد کرد.4). او از توصیف لباس‌های پیاده نظام متحرک در رمان علمی تخیلی سربازان استارشیپ اثر رابرت هاین‌لاین الهام گرفته بود که هنگام بهبودی در بیمارستان آن را خواند. با این حال، رید تا سال 2001 کار روی دستگاه خود را شروع نکرد. در سال 2005، او نمونه اولیه لباس نجات 4,8 را در مسابقه روز سنت پاتریک در سیاتل، واشنگتن آزمایش کرد. سازنده ادعا می کند که رکورد سرعت راه رفتن را در لباس های روباتی به ثبت رسانده است که 4 کیلومتر را با سرعت متوسط ​​14 کیلومتر در ساعت طی می کند. نمونه اولیه Lifesuit 1,6 توانست 92 کیلومتر را با شارژ کامل طی کند و XNUMX کیلوگرم وزن را بلند کند.

1990-اکنون - اولین نمونه اولیه اسکلت بیرونی HAL توسط یوشیوکی سانکای پیشنهاد شد.5، پروفسور دانشگاه تسوکوبا سانکای سه سال - از سال 1990 تا 1993 - را صرف شناسایی نورون هایی کرد که حرکت پا را کنترل می کنند. چهار سال دیگر طول کشید تا او و تیمش نمونه اولیه این تجهیزات را بسازند. سومین نمونه اولیه HAL که در اوایل قرن بیست و دوم توسعه یافت، به یک کامپیوتر متصل شد. خود باتری تقریباً 22 کیلوگرم وزن داشت که آن را بسیار غیرعملی می کرد. در مقابل، مدل بعدی HAL-5 تنها 10 کیلوگرم وزن داشت و باتری و کامپیوتر کنترلی آن دور کمر کاربر پیچیده شده بود. HAL-5 در حال حاضر یک اسکلت بیرونی پزشکی چهار اندام است (اگرچه یک نسخه فقط اندام تحتانی نیز موجود است) که توسط شرکت ژاپنی Cyberdyne Inc ساخته شده است. با همکاری دانشگاه تسوکوبا

5. پروفسور یوشیوکی سانکای یکی از مدل های اسکلت بیرونی را ارائه می دهد.

تقریباً 2 ساعت و 40 دقیقه در داخل و خارج از منزل کار می کند. به بلند کردن اجسام سنگین کمک می کند. محل کنترل و درایو در ظروف داخل کیس، خلاص شدن از شر "کوله پشتی" که مشخصه اکثر اسکلت های بیرونی است، که گاهی شبیه یک حشره بزرگ است، ممکن می سازد. افراد مبتلا به فشار خون بالا، پوکی استخوان و هر گونه بیماری قلبی باید قبل از استفاده از HAL با پزشک مشورت کنند و موارد منع مصرف آن شامل ضربان ساز و حاملگی است، اما محدود به آن نمی شود. به عنوان بخشی از برنامه HAL FIT، سازنده امکان استفاده از جلسات درمانی با اسکلت بیرونی را برای افراد بیمار و سالم ارائه می دهد. طراح HAL ادعا می کند که مراحل بعدی ارتقا بر روی ایجاد یک لباس نازک تمرکز خواهد کرد که به کاربر اجازه می دهد آزادانه حرکت کند و حتی بدود. 

2000 - پروفسور همایون کازرونی و تیمش در Ekso Bionics در حال توسعه یک کشتی جهانی حمل بار انسانی یا HULC هستند.6) یک اسکلت بیرونی بی سیم با درایو هیدرولیک است. هدف آن کمک به سربازان متخاصم برای حمل بارهایی با وزن تا 90 کیلوگرم برای مدت طولانی با حداکثر سرعت 16 کیلومتر در ساعت است. این سیستم در سمپوزیوم زمستانی AUSA در 26 فوریه 2009، زمانی که توافقنامه صدور مجوز با لاکهید مارتین منعقد شد، برای عموم معرفی شد. ماده غالب مورد استفاده در این طرح تیتانیوم است، ماده ای سبک اما نسبتا گران قیمت با خواص مکانیکی و مقاومتی بالا.

اسکلت بیرونی مجهز به مکنده هایی است که به شما امکان حمل اجسام تا وزن 68 کیلوگرم (دستگاه بالابر) را می دهد. برق از چهار باتری لیتیوم پلیمری تامین می شود که عملکرد عادی دستگاه را در بار بهینه تا 20 ساعت تضمین می کند. اسکلت بیرونی در شرایط مختلف جنگی و با بارهای مختلف آزمایش شد. پس از یک سری آزمایشات موفق در پاییز 2012، او به افغانستان فرستاده شد و در آنجا طی یک درگیری مسلحانه مورد آزمایش قرار گرفت. با وجود بازخوردهای مثبت فراوان، این پروژه به حالت تعلیق درآمد. همانطور که مشخص شد، طراحی انجام حرکات خاص را دشوار می کرد و در واقع بار روی عضلات را افزایش می داد که با ایده کلی ایجاد آن در تناقض بود.

2001 - پروژه اسکلت بیرونی اندام تحتانی برکلی (BLEEX) که در اصل برای ارتش در نظر گرفته شده بود، در حال انجام است. در چارچوب آن، نتایج امیدوارکننده‌ای در قالب راه‌حل‌های مستقل با اهمیت عملی به دست آمده است. اول از همه، یک دستگاه روباتیک ساخته شد که به پایین بدن متصل شد تا به پاها قدرت بیشتری بدهد. این تجهیزات توسط آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا) تامین مالی شده و توسط آزمایشگاه مهندسی رباتیک و مهندسی انسانی برکلی، بخشی از دانشگاه کالیفرنیا، گروه مهندسی مکانیک برکلی توسعه یافته است. سیستم اسکلت بیرونی برکلی به سربازان این توانایی را می دهد که محموله های بزرگ را با کمترین تلاش و در هر نوع زمینی مانند غذا، تجهیزات نجات، کیت های کمک های اولیه، ارتباطات و سلاح حمل کنند. علاوه بر کاربردهای نظامی، BLEEX در حال حاضر در حال توسعه پروژه های عمرانی است. آزمایشگاه مهندسی رباتیک و انسانی در حال حاضر در حال بررسی راه حل های زیر است: ExoHiker - یک اسکلت بیرونی که عمدتا برای اعضای اکسپدیشن طراحی شده است که در آن نیاز به حمل تجهیزات سنگین وجود دارد، ExoClimber - تجهیزات برای افرادی که از تپه های بلند بالا می روند، اسکلت بیرونی پزشکی - اسکلت بیرونی برای افراد دارای معلولیت قابلیت های فیزیکی اختلالات حرکتی اندام تحتانی

8. نمونه اولیه Sarcos XOS 2 در حال عمل

متن

2010 - XOS 2 ظاهر می شود (8) ادامه اسکلت بیرونی XOS از Sarcos است. اول از همه، طراحی جدید سبک تر و قابل اطمینان تر شده است و به شما امکان می دهد بارهایی با وزن تا 90 کیلوگرم را به صورت ثابت بلند کنید. این دستگاه شبیه یک سایبورگ است. این کنترل بر اساس سی محرک است که مانند مفاصل مصنوعی عمل می کنند. اسکلت بیرونی شامل چندین حسگر است که سیگنال ها را از طریق یک کامپیوتر به محرک ها منتقل می کند. به این ترتیب عملکرد روان و مداوم صورت می گیرد و کاربر تلاش قابل توجهی را احساس نمی کند. وزن XOS 68 کیلوگرم است.

2011-اکنون - سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) اسکلت بیرونی پزشکی ReWalk را تایید کرد.9). این سیستمی است که از عناصر قدرت برای تقویت پاها استفاده می کند و به افراد فلج اجازه می دهد صاف بایستند، راه بروند و از پله ها بالا بروند. انرژی توسط یک باتری کوله پشتی تامین می شود. کنترل با استفاده از یک کنترل از راه دور دستی ساده انجام می شود که حرکات کاربر را شناسایی و تصحیح می کند. کل این محصول توسط Amit Goffer از اسرائیل طراحی شده است و توسط ReWalk Robotics Ltd (در اصل Argo Medical Technologies) به قیمت حدود 85 PLN فروخته می شود. دلار

9 نفر در ReWalk Exoskeletons قدم می زنند

در زمان عرضه، تجهیزات در دو نسخه موجود بود - ReWalk I و ReWalk P. اولین مورد توسط موسسات پزشکی برای اهداف تحقیقاتی یا درمانی تحت نظارت یک متخصص پزشکی استفاده می شود. ReWalk P برای استفاده شخصی بیماران در خانه یا مناطق عمومی در نظر گرفته شده است. در ژانویه 2013، نسخه به روز شده ReWalk Rehabilitation 2.0 منتشر شد. این باعث بهبود تناسب افراد قد بلندتر و بهبود نرم افزار کنترل شد. ReWalk کاربر را ملزم به استفاده از عصا می کند. بیماری های قلبی عروقی و شکنندگی استخوان به عنوان موارد منع مصرف ذکر شده است. محدودیت نیز رشد، در 1,6-1,9 متر، و وزن بدن تا 100 کیلوگرم است. این تنها اسکلت بیرونی است که می توانید در آن ماشین رانده شوید.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics که قبلا با نام Berkeley Bionics شناخته می شد، از اسکلت بیرونی پزشکی خود رونمایی کرد. این پروژه دو سال قبل با نام eLEGS (10) و برای توانبخشی افراد مبتلا به درجات مختلف فلج در نظر گرفته شده بود. مانند ReWalk، ساخت و ساز نیاز به استفاده از عصا دارد. باتری برای حداقل شش ساعت استفاده انرژی تامین می کند. ست اکسو حدود 100 هزار قیمت دارد. دلار در لهستان، پروژه اسکلت بیرونی Ekso GT، یک دستگاه پزشکی که برای کار با بیماران عصبی طراحی شده است، شناخته شده است. طراحی آن به افراد پس از سکته مغزی، آسیب های نخاعی، بیماران مبتلا به مولتیپل اسکلروزیس یا مبتلا به سندرم گیلن باره اجازه راه رفتن می دهد. بسته به درجه اختلال عملکرد بیمار، تجهیزات می توانند در چندین حالت مختلف کار کنند.

2013 – Mindwalker، یک پروژه اسکلت بیرونی کنترل شده توسط ذهن، از اتحادیه اروپا بودجه دریافت می کند. این طرح حاصل همکاری دانشمندان دانشگاه آزاد بروکسل و بنیاد سانتا لوسیا در ایتالیا است. محققان روش های مختلفی را برای کنترل دستگاه آزمایش کردند - آنها معتقدند که رابط مغز-عصب-کامپیوتر (BNCI) بهترین کار را دارد که به شما امکان می دهد آن را با افکار کنترل کنید. سیگنال ها بین مغز و کامپیوتر عبور می کنند و طناب نخاعی را دور می زنند. Mindwalker سیگنال‌های EMG، یعنی پتانسیل‌های کوچک (موسوم به myopotentials) را که در هنگام کار عضلات روی سطح پوست فرد ظاهر می‌شوند، به دستورات حرکتی الکترونیکی تبدیل می‌کند. اسکلت بیرونی کاملاً سبک است و بدون باتری تنها 30 کیلوگرم وزن دارد. از بزرگسالان تا وزن 100 کیلوگرم پشتیبانی می کند.

2016 – دانشگاه فنی ETH در زوریخ، سوئیس، میزبان اولین مسابقه ورزشی Cybathlon برای افراد دارای معلولیت با استفاده از روبات های کمکی است. یکی از این رشته ها مسابقه اسکلت بیرونی در یک مسیر با مانع برای افراد مبتلا به فلج اندام تحتانی بود. در این نمایش مهارت ها و فناوری، کاربران اسکلت بیرونی مجبور بودند کارهایی مانند نشستن روی کاناپه و بلند شدن، راه رفتن در شیب ها، قدم گذاشتن روی صخره ها (مانند هنگام عبور از یک رودخانه کم عمق کوهستانی) و بالا رفتن از پله ها را انجام دهند. مشخص شد که هیچ کس قادر به تسلط بر تمام تمرینات نیست و سریع ترین تیم ها بیش از 50 دقیقه طول می کشد تا مسیر 8 متری با مانع را تکمیل کنند. رویداد بعدی در سال 2020 به عنوان شاخصی از توسعه فناوری اسکلت بیرونی برگزار می شود.

2019 - در جریان تظاهرات تابستانی در مرکز آموزش کماندو در لیمپستون، انگلستان، ریچارد براونینگ، مخترع و مدیر عامل صنایع جاذبه، لباس جت اسکلت بیرونی Daedalus Mark 1 خود را به نمایش گذاشت که تأثیر زیادی بر ارتش و نه تنها بریتانیایی ها گذاشت. شش موتور جت کوچک - دو عدد از آنها در پشت و دو عدد به صورت جفت اضافی روی هر بازو نصب شده اند - به شما امکان می دهند تا ارتفاع 600 متری بالا بروید. تاکنون فقط برای 10 دقیقه سوخت کافی وجود دارد. پرواز ...