Bộ xương ngoài

Mặc dù gần đây người ta nghe nói ngày càng nhiều về bộ xương ngoài nhưng hóa ra lịch sử của phát minh này đã có từ thế kỷ XIX. Tìm hiểu xem nó đã thay đổi như thế nào trong nhiều thập kỷ và những bước ngoặt trong quá trình phát triển của nó trông như thế nào. 

1. Hình minh họa từ bằng sáng chế của Nikolai Yagn

1890 – Những ý tưởng sáng tạo đầu tiên để tạo ra bộ xương ngoài đã có từ thế kỷ 1890. Năm 420179, Nicholas Yagn được cấp bằng sáng chế tại Hoa Kỳ (bằng sáng chế số US XNUMX A) "Thiết bị hỗ trợ đi lại, chạy và nhảy" (1). Đó là một bộ giáp được làm bằng gỗ, mục đích là để tăng tốc độ cho chiến binh trong cuộc hành quân dài nhiều km. Thiết kế trở thành nguồn cảm hứng để tiếp tục tìm kiếm giải pháp tối ưu.

1961 - Vào những năm 60, General Electric cùng với một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Comell bắt đầu nghiên cứu chế tạo một bộ đồ điện-thủy lực hỗ trợ con người tập thể dục. Sự hợp tác với quân đội trong dự án Man Augmentation đã dẫn đến sự phát triển của Hardiman (2). Mục đích của dự án là tạo ra một bộ quần áo mô phỏng chuyển động tự nhiên của con người, cho phép anh ta nâng vật nặng gần 700 kg. Bản thân bộ trang phục cũng nặng như nhau, nhưng trọng lượng hữu hình chỉ là 20 kg.

2. Bộ trao đổi nhiệt nguyên mẫu General Electric

Bất chấp thành công của dự án, hóa ra tính hữu dụng của nó là không đáng kể và các bản sao ban đầu sẽ rất đắt. Các tùy chọn di động hạn chế và hệ thống điện phức tạp của họ cuối cùng khiến các thiết bị này không thể sử dụng được. Trong quá trình thử nghiệm, hóa ra Hardiman chỉ có thể nâng được 350 kg, và khi sử dụng trong thời gian dài có xu hướng chuyển động nguy hiểm, không phối hợp. Từ quá trình phát triển thêm của nguyên mẫu, chỉ có một cánh tay bị bỏ lại - thiết bị nặng khoảng 250 kg, nhưng nó không thực tế như bộ xương ngoài trước đó.

Những năm 70. “Do kích thước, trọng lượng, sự không ổn định và các vấn đề về điện, Hardiman không bao giờ được đưa vào sản xuất, nhưng Man-Mate công nghiệp đã sử dụng một số công nghệ từ những năm 60. Quyền đối với công nghệ đã được mua bởi Western Space and Marine, được thành lập bởi một trong những kỹ sư của GE. Sản phẩm đã được phát triển thêm và ngày nay tồn tại dưới dạng một cánh tay rô-bốt lớn có thể nâng tới 4500 kg bằng cách sử dụng phản hồi lực, khiến nó trở nên lý tưởng cho ngành thép.

3. Bộ xương ngoài được chế tạo tại Viện Mihailo Pupin ở Serbia.

1972 – Bộ xương ngoài hoạt động ban đầu và rô-bốt hình người được phát triển tại Viện Mihailo Pupin ở Serbia bởi một nhóm do giáo sư đứng đầu. Miomir Vukobratovich. Đầu tiên, các hệ thống chuyển động của chân đã được phát triển để hỗ trợ phục hồi chức năng cho những người bị liệt nửa người (3). Khi phát triển các bộ xương ngoài hoạt động, viện cũng phát triển các phương pháp phân tích và kiểm soát dáng đi của con người. Một số tiến bộ này đã góp phần vào sự phát triển của robot hình người hiệu suất cao ngày nay. Năm 1972, một bộ xương ngoài hoạt động bằng khí nén có lập trình điện tử để điều trị liệt hai chi dưới đã được thử nghiệm tại một phòng khám chỉnh hình ở Belgrade.

1985 “Một kỹ sư tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos đang chế tạo một bộ xương ngoài gọi là Pitman, áo giáp năng lượng cho lính bộ binh. Việc điều khiển thiết bị dựa trên các cảm biến quét bề mặt hộp sọ, được đặt trong một chiếc mũ bảo hiểm đặc biệt. Với khả năng của công nghệ thời đó, nó là một thiết kế quá phức tạp để sản xuất. Hạn chế chủ yếu là không đủ sức mạnh tính toán của máy tính. Ngoài ra, việc xử lý các tín hiệu não bộ và chuyển đổi chúng thành các chuyển động của bộ xương ngoài về mặt kỹ thuật vẫn là bất khả thi vào thời điểm đó.

4. Exoskeleton Lifesuit, được thiết kế bởi Monty Reed.

1986 — Monty Reed, người lính Quân đội Hoa Kỳ bị gãy xương sống khi nhảy dù, đã phát triển một bộ đồ sinh tồn bằng bộ xương ngoài (4). Anh lấy cảm hứng từ những mô tả về bộ quần áo bộ binh cơ động trong cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng Starship Troopers của Robert Heinlein, mà anh đã đọc khi đang hồi sức trong bệnh viện. Tuy nhiên, Reed đã không bắt đầu làm việc trên thiết bị của mình cho đến năm 2001. Năm 2005, anh đã thử nghiệm bộ đồ cứu hộ nguyên mẫu 4,8 trong cuộc đua Ngày Thánh Patrick ở Seattle, Washington. Nhà phát triển tuyên bố đã lập kỷ lục tốc độ đi bộ trong bộ đồ robot, bao gồm 4 km với tốc độ trung bình 14 km / h. Nguyên mẫu Lifesuit 1,6 đã có thể sạc đầy 92 km và có thể nâng được XNUMX kg.

1990-nay - Nguyên mẫu đầu tiên của bộ xương ngoài HAL được đề xuất bởi Yoshiyuki Sankai (5), hồ sơ Đại học Tsukuba. Sankai đã dành ba năm - từ 1990 đến 1993 - để xác định các tế bào thần kinh điều khiển chuyển động của chân. Ông và nhóm của mình đã mất thêm 22 năm để tạo mẫu thiết bị. Nguyên mẫu HAL thứ ba, được phát triển vào đầu thế kỷ 5, được kết nối với máy tính. Bản thân pin nặng gần 10 kg, điều này làm cho nó rất không thực tế. Ngược lại, mẫu HAL-5 sau này chỉ nặng XNUMX kg và có pin và máy tính điều khiển quấn quanh eo người dùng. HAL-XNUMX hiện là bộ xương ngoài y tế bốn chi (mặc dù phiên bản chỉ dành cho chi dưới cũng có sẵn) do công ty Cyberdyne Inc. của Nhật Bản sản xuất. với sự hợp tác của Đại học Tsukuba.

5. Giáo sư Yoshiyuki Sankai trình bày một trong những mô hình bộ xương ngoài.

Hoạt động khoảng 2 giờ 40 phút cả trong nhà và ngoài trời. Giúp nâng hạ các vật nặng. Vị trí của các bộ điều khiển và ổ đĩa trong các thùng chứa bên trong vỏ khiến nó có thể thoát ra khỏi "ba lô" đặc trưng của hầu hết các bộ xương ngoài, đôi khi giống một con côn trùng lớn. Những người bị tăng huyết áp, loãng xương và bất kỳ bệnh tim nào nên tham khảo ý kiến ​​bác sĩ trước khi sử dụng HAL, và chống chỉ định bao gồm, nhưng không giới hạn ở máy tạo nhịp tim và mang thai. Là một phần của chương trình HAL FIT, nhà sản xuất cung cấp khả năng sử dụng các buổi điều trị bằng bộ xương ngoài cho cả người bệnh và người khỏe mạnh. Nhà thiết kế của HAL tuyên bố rằng các giai đoạn tiếp theo của quá trình nâng cấp sẽ tập trung vào việc tạo ra một bộ quần áo mỏng cho phép người dùng di chuyển tự do và thậm chí là chạy. 

2000 - giáo sư Homayoun Kazeruni và nhóm của anh ấy tại Ekso Bionics đang phát triển Phương tiện vận chuyển hàng hóa cho con người toàn cầu, hay HULC (6) là một bộ xương ngoài không dây với một bộ truyền động thủy lực. Mục đích của nó là giúp binh lính tham chiến có thể mang vác vật nặng tới 90 kg trong thời gian dài, với tốc độ tối đa 16 km / h. Hệ thống được công bố trước công chúng tại Hội nghị chuyên đề mùa đông AUSA vào ngày 26 tháng 2009 năm XNUMX, khi đạt được thỏa thuận cấp phép với Lockheed Martin. Vật liệu chủ đạo được sử dụng trong thiết kế này là titan, một vật liệu nhẹ nhưng tương đối đắt tiền với các đặc tính cơ học và độ bền cao.

Bộ xương ngoài được trang bị các giác hút cho phép bạn mang vật nặng đến 68 kg (thiết bị nâng). Nguồn điện được cung cấp từ bốn pin lithium-polymer, đảm bảo hoạt động bình thường của thiết bị ở mức tải tối ưu lên đến 20 giờ. Bộ xương ngoài đã được thử nghiệm trong các điều kiện chiến đấu khác nhau và với nhiều tải trọng khác nhau. Sau một loạt các thử nghiệm thành công vào mùa thu năm 2012, anh ta được gửi đến Afghanistan, nơi anh ta được thử nghiệm trong một cuộc xung đột vũ trang. Mặc dù có nhiều đánh giá tích cực, dự án đã bị tạm dừng. Hóa ra, thiết kế này gây khó khăn khi thực hiện một số chuyển động nhất định và thực sự làm tăng tải trọng lên các cơ, điều này mâu thuẫn với ý tưởng chung về việc tạo ra nó.

2001 – Dự án Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), ban đầu chủ yếu dành cho quân đội, đang được tiến hành. Trong khuôn khổ của nó, các kết quả đầy hứa hẹn đã đạt được dưới dạng các giải pháp tự trị có tầm quan trọng thiết thực. Trước hết, một thiết bị robot đã được tạo ra, gắn vào phần dưới cơ thể để tăng thêm sức mạnh cho đôi chân. Thiết bị được tài trợ bởi Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) và được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Con người và Người máy Berkeley, một bộ phận của Đại học California, Khoa Kỹ thuật Cơ khí Berkeley. Hệ thống khung xương ngoài Berkeley mang đến cho binh lính khả năng mang theo trọng tải lớn với nỗ lực tối thiểu và vượt qua mọi loại địa hình, chẳng hạn như thực phẩm, thiết bị cứu hộ, bộ sơ cứu, thông tin liên lạc và vũ khí. Ngoài các ứng dụng quân sự, BLEEX hiện đang phát triển các dự án dân sự. Phòng thí nghiệm Robotics và Kỹ thuật Con người hiện đang nghiên cứu các giải pháp sau: ExoHiker - khung xương ngoài được thiết kế chủ yếu cho các thành viên đoàn thám hiểm khi cần vận chuyển thiết bị nặng, ExoClimber - thiết bị cho người leo núi cao, Medical Exoskeleton - khung xương ngoài cho người khuyết tật năng lực thể chất. rối loạn vận động chi dưới.

8. Nguyên mẫu Sarcos XOS 2 đang hoạt động

văn bản

2010 – XOS 2 xuất hiện (8) là phần tiếp theo của bộ xương ngoài XOS từ Sarcos. Trước hết, thiết kế mới đã trở nên nhẹ hơn và đáng tin cậy hơn, cho phép bạn nâng tải trọng tĩnh lên đến 90 kg. Thiết bị giống như một người máy. Việc điều khiển dựa trên ba mươi bộ truyền động hoạt động giống như khớp nhân tạo. Bộ xương ngoài chứa một số cảm biến truyền tín hiệu đến bộ truyền động thông qua máy tính. Bằng cách này, hoạt động trơn tru và liên tục diễn ra, và người dùng không cảm thấy bất kỳ nỗ lực đáng kể nào. Trọng lượng của XOS là 68 kg.

2011-nay – Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt khung xương ngoài y tế ReWalk (9). Nó là một hệ thống sử dụng các yếu tố sức mạnh để tăng cường sức mạnh cho chân và cho phép những người bị liệt có thể đứng thẳng, đi bộ và leo cầu thang. Năng lượng được cung cấp bởi pin ba lô. Việc điều khiển được thực hiện bằng một điều khiển từ xa cầm tay đơn giản giúp phát hiện và điều chỉnh các chuyển động của người dùng. Toàn bộ thứ được thiết kế bởi Amit Goffer của Israel và đang được bán bởi ReWalk Robotics Ltd (ban đầu là Argo Medical Technologies) với giá khoảng 85 PLN. USD.

9 người đi bộ trong ReWalk Exoskeletons

Tại thời điểm phát hành, thiết bị có sẵn trong hai phiên bản - ReWalk I và ReWalk P. Phiên bản đầu tiên được các tổ chức y tế sử dụng cho mục đích nghiên cứu hoặc điều trị dưới sự giám sát của chuyên gia y tế. ReWalk P được thiết kế cho mục đích sử dụng cá nhân của bệnh nhân tại nhà hoặc ở các khu vực công cộng. Vào tháng 2013 năm 2.0, phiên bản cập nhật của ReWalk Re recovery 1,6 đã được phát hành. Điều này đã cải thiện sự phù hợp cho những người cao hơn và cải thiện phần mềm điều khiển. ReWalk yêu cầu người dùng sử dụng nạng. Các bệnh tim mạch và dễ gãy xương được đề cập là chống chỉ định. Hạn chế cũng là tăng trưởng, trong vòng 1,9-100 m và trọng lượng cơ thể lên đến XNUMX kg. Đây là bộ xương ngoài duy nhất mà bạn có thể lái xe ô tô.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, trước đây gọi là Berkeley Bionics, tiết lộ bộ xương ngoài y tế của mình. Dự án bắt đầu từ hai năm trước đó với tên gọi eLEGS (10), và được dùng để phục hồi chức năng cho những người bị liệt ở các mức độ khác nhau. Giống như ReWalk, việc xây dựng yêu cầu sử dụng nạng. Pin cung cấp năng lượng cho ít nhất sáu giờ sử dụng. Bộ exo có giá khoảng 100 nghìn. USD. Tại Ba Lan, dự án về bộ xương ngoài Ekso GT, một thiết bị y tế được thiết kế để làm việc với các bệnh nhân thần kinh, đã được biết đến. Thiết kế của nó cho phép đi bộ, kể cả những người sau đột quỵ, chấn thương tủy sống, bệnh nhân đa xơ cứng hoặc mắc hội chứng Guillain-Barré. Thiết bị có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau, tùy thuộc vào mức độ rối loạn chức năng của bệnh nhân.

2013 – Mindwalker, một dự án khung xương ngoài điều khiển bằng trí óc, nhận tài trợ từ Liên minh Châu Âu. Thiết kế này là kết quả của sự hợp tác giữa các nhà khoa học từ Đại học Tự do Brussels và Quỹ Santa Lucia ở Ý. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm các cách khác nhau để điều khiển thiết bị - họ tin rằng giao diện máy tính-não-thần kinh (BNCI) hoạt động tốt nhất, cho phép bạn điều khiển thiết bị bằng suy nghĩ. Tín hiệu truyền giữa não và máy tính, bỏ qua tủy sống. Mindwalker chuyển đổi các tín hiệu EMG, tức là các điện thế nhỏ (được gọi là tiềm năng cơ) xuất hiện trên bề mặt da của một người khi cơ bắp đang hoạt động, thành các mệnh lệnh chuyển động điện tử. Bộ xương ngoài khá nhẹ, chỉ nặng 30 kg nếu không có pin. Nó sẽ hỗ trợ một người trưởng thành nặng tới 100 kg.

2016 – Đại học Kỹ thuật ETH ở Zurich, Thụy Sĩ, tổ chức cuộc thi thể thao Cybathlon đầu tiên dành cho người khuyết tật sử dụng robot hỗ trợ. Một trong những bộ môn là cuộc đua bộ xương ngoài trên chướng ngại vật dành cho những người bị liệt hai chi dưới. Trong phần trình diễn kỹ năng và công nghệ này, người dùng exoskeleton phải thực hiện các nhiệm vụ như ngồi trên ghế và đứng dậy, đi trên dốc, bước trên đá (như khi băng qua sông cạn trên núi) và leo cầu thang. Hóa ra không ai có thể thành thạo tất cả các bài tập, và đội nhanh nhất phải mất hơn 50 phút để hoàn thành chướng ngại vật dài 8 mét. Sự kiện tiếp theo sẽ diễn ra vào năm 2020 như một chỉ báo về sự phát triển của công nghệ bộ xương ngoài.

2019 – Trong các cuộc trình diễn mùa hè tại Trung tâm Huấn luyện Đặc công ở Lympston, Vương quốc Anh, Richard Browning, nhà phát minh và Giám đốc điều hành của Gravity Industries, đã trình diễn bộ đồ phản lực khung xương ngoài Daedalus Mark 1 của mình, bộ đồ này đã gây ấn tượng rất lớn đối với quân đội chứ không chỉ người Anh. Sáu động cơ phản lực nhỏ - hai trong số chúng được lắp ở phía sau và hai động cơ ở dạng cặp bổ sung trên mỗi cánh tay - cho phép bạn leo lên độ cao lên tới 600 m. Cho đến nay, chỉ có đủ nhiên liệu trong 10 phút. chuyến bay ...