Exoskelette
Obwohl wir in letzter Zeit immer mehr über Exoskelette hören, stellt sich heraus, dass die Geschichte dieser Erfindung bis ins XNUMX. Jahrhundert zurückreicht. Erfahren Sie, wie es sich im Laufe der Jahrzehnte verändert hat und wie die Wendepunkte in seiner Entwicklung aussahen.
1. Illustration aus dem Patent von Nikolai Yagna
1890 – Die ersten innovativen Ideen zur Herstellung eines Exoskeletts stammen aus dem 1890. Jahrhundert. 420179 patentierte Nicholas Yagn in den Vereinigten Staaten (Patent Nr. US XNUMX A) „Ein Gerät zur Erleichterung des Gehens, Laufens und Springens“ (1). Es handelte sich um eine Rüstung aus Holz, deren Zweck es war, die Geschwindigkeit eines Kriegers während eines mehrere Kilometer langen Marsches zu erhöhen. Der Entwurf wurde zur Inspirationsquelle für die weitere Suche nach der optimalen Lösung.
1961 - In den 60er Jahren begann General Electric zusammen mit einer Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Comell mit der Arbeit an der Entwicklung eines elektrohydraulischen Anzugs, der die menschliche Bewegung unterstützt. Die Zusammenarbeit mit dem Militär beim Man Augmentation-Projekt führte zur Entwicklung des Hardiman (2). Ziel des Projekts war es, einen Anzug zu schaffen, der die natürlichen Bewegungen eines Menschen nachahmt und es ihm ermöglicht, Gegenstände mit einem Gewicht von fast 700 kg zu heben. Der Anzug selbst wog das gleiche, das greifbare Gewicht betrug jedoch nur 20 kg.
2. Prototyp eines Wärmetauschers von General Electric
Trotz des Erfolgs des Projekts stellte sich heraus, dass sein Nutzen vernachlässigbar war und die ersten Kopien teuer sein würden. Ihre eingeschränkten Mobilitätsmöglichkeiten und komplexen Stromversorgungssysteme machten diese Geräte letztendlich unbrauchbar. Bei Tests wurde festgestellt, dass der Hardiman nur 350 kg heben kann und bei längerem Gebrauch zu gefährlichen, unkoordinierten Bewegungen neigt. Bei der Weiterentwicklung des Prototyps wurde lediglich auf einen Arm verzichtet – das Gerät wog etwa 250 kg, war aber genauso unpraktisch wie das bisherige Exoskelett.
70-s. „Aufgrund seiner Größe, seines Gewichts, seiner Instabilität und seiner Stromversorgungsprobleme ging der Hardiman nie in Produktion, aber der industrielle Man-Mate verwendete einige Technologien aus den 60er Jahren. Die Rechte an der Technologie wurden von Western Space and Marine gekauft, die von einem der GE-Ingenieure gegründet wurden. Das Produkt wurde weiterentwickelt und existiert heute in Form eines großen Roboterarms, der per Force-Feedback bis zu 4500 kg heben kann und damit ideal für die Stahlindustrie ist.
3. Exoskelette, gebaut am Mihailo Pupin Institut in Serbien.
1972 – Frühe aktive Exoskelette und humanoide Roboter wurden am Mihailo Pupin Institute in Serbien von einer Gruppe unter der Leitung von Prof. Miomir Vukobratovich. Zunächst wurden Beinbewegungssysteme entwickelt, um die Rehabilitation querschnittsgelähmter Menschen zu unterstützen (3). Bei der Entwicklung aktiver Exoskelette entwickelte das Institut auch Methoden zur Analyse und Steuerung des menschlichen Gangs. Einige dieser Fortschritte haben zur Entwicklung der heutigen humanoiden Hochleistungsroboter beigetragen. 1972 wurde in einer orthopädischen Klinik in Belgrad ein aktives Exoskelett mit pneumatischem Antrieb und elektronischer Programmierung für Querschnittgelähmte getestet.
1985 „Ein Ingenieur des Los Alamos National Laboratory baut ein Exoskelett namens Pitman, eine Powerrüstung für Infanteristen. Die Steuerung des Geräts basierte auf Sensoren, die die Oberfläche des Schädels scannen, der in einem speziellen Helm untergebracht ist. Angesichts der Fähigkeiten der damaligen Technologie war die Konstruktion zu komplex für die Herstellung. Die Einschränkung war vor allem die unzureichende Rechenleistung von Computern. Zudem war es damals technisch praktisch unmöglich, Gehirnsignale zu verarbeiten und in Exoskelettbewegungen umzuwandeln.
4. Rettungsanzug-Exoskelett, entworfen von Monty Reed.
1986 — Monty Reed, Soldat der US-Armee, der sich beim Fallschirmspringen die Wirbelsäule gebrochen hat, entwickelt ein Exoskelett für einen Überlebensanzug (4). Inspiriert wurde er von den Beschreibungen mobiler Infanterieanzüge in Robert Heinleins Science-Fiction-Roman „Starship Troopers“, den er während seiner Genesung im Krankenhaus las. Allerdings begann Reed erst 2001 mit der Arbeit an seinem Gerät. Im Jahr 2005 testete er beim St. Patrick's Day-Rennen in Seattle, Washington, einen Prototyp eines 4,8-Gauge-Fluchtanzugs. Der Entwickler behauptet, einen Rekord für die Gehgeschwindigkeit in Roboteranzügen aufgestellt zu haben, indem er 4 Kilometer mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 14 km/h zurückgelegt habe. Der Lifesuit 1,6-Prototyp konnte voll aufgeladen 92 km zurücklegen und XNUMX kg heben.
1990-heute - Der erste Prototyp des HAL-Exoskeletts wurde von Yoshiyuki Sankai vorgeschlagen (5), Prof. Universität Tsukuba. Sankai verbrachte drei Jahre, von 1990 bis 1993, damit, die Neuronen zu identifizieren, die die Beinbewegung steuern. Er und sein Team brauchten weitere vier Jahre, um den Prototypen der Ausrüstung zu entwickeln. Der dritte HAL-Prototyp, der im frühen 22. Jahrhundert entwickelt wurde, war an einen Computer angeschlossen. Der Akku selbst wog fast 5 kg, was ihn sehr unpraktisch machte. Im Gegensatz dazu wog das spätere Modell HAL-10 nur 5 kg, und Batterie und Steuercomputer waren um die Hüfte des Benutzers gewickelt. HAL-XNUMX ist derzeit ein medizinisches Exoskelett mit vier Gliedmaßen (obwohl auch eine Version nur für die unteren Gliedmaßen erhältlich ist), das von der japanischen Firma Cyberdyne Inc. hergestellt wird. in Zusammenarbeit mit der Universität Tsukuba.
5. Professor Yoshiyuki Sankai präsentiert eines der Exoskelettmodelle.
Funktioniert im Innen- und Außenbereich etwa 2 Stunden und 40 Minuten. Hilft beim Heben schwerer Gegenstände. Durch die Anordnung der Steuer- und Antriebselemente in Behältern im Inneren des Körpers konnte auf den für die meisten Exoskelette so charakteristischen „Rucksack“, der manchmal einem großen Insekt ähnelt, verzichtet werden. Menschen mit Bluthochdruck, Osteoporose und anderen Herzerkrankungen sollten vor der Anwendung von HAL einen Arzt konsultieren. Zu den Kontraindikationen zählen unter anderem Herzschrittmacher und Schwangerschaft. Im Rahmen des HAL FIT-Programms bietet der Hersteller die Möglichkeit, therapeutische Sitzungen mit einem Exoskelett sowohl für kranke als auch für gesunde Menschen durchzuführen. Designer HAL behauptet, dass die nächsten Modernisierungsschritte darauf abzielen werden, einen dünnen Anzug zu schaffen, der es dem Benutzer ermöglicht, sich frei zu bewegen und sogar zu laufen.
2000 - prof. Homayoun Kazeruni und sein Team bei Ekso Bionics entwickeln einen Universal Human Cargo Carrier oder HULC (6) ist ein kabelloses Exoskelett mit hydraulischem Antrieb. Sein Zweck besteht darin, kämpfenden Soldaten dabei zu helfen, Lasten mit einem Gewicht von bis zu 90 kg über längere Zeiträume mit einer Höchstgeschwindigkeit von 16 km/h zu tragen. Das System wurde am 26. Februar 2009 auf dem AUSA Winter Symposium der Öffentlichkeit vorgestellt, als eine Lizenzvereinbarung mit Lockheed Martin getroffen wurde. Das bei dieser Konstruktion überwiegend verwendete Material ist Titan, ein leichtes, aber relativ teures Material mit hohen mechanischen Eigenschaften und Festigkeitseigenschaften.
Das Exoskelett ist mit Saugnäpfen ausgestattet, die es ermöglichen, Gegenstände mit einem Gewicht von bis zu 68 kg zu tragen (Hebevorrichtung). Die Stromversorgung erfolgt über vier Lithium-Polymer-Akkus, die einen normalen Betrieb des Geräts bei optimaler Belastung für bis zu 20 Stunden gewährleisten. Das Exoskelett wurde unter verschiedenen Kampfbedingungen und mit unterschiedlichen Belastungen getestet. Nach einer Reihe erfolgreicher Experimente wurde er im Herbst 2012 nach Afghanistan geschickt, wo er während des bewaffneten Konflikts getestet wurde. Trotz vieler positiver Bewertungen wurde das Projekt ausgesetzt. Wie sich herausstellte, erschwerte das Design die Ausführung bestimmter Bewegungen und erhöhte tatsächlich die Belastung der Muskeln, was der allgemeinen Idee seiner Entstehung widersprach.
2001 – Das Projekt Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), das ursprünglich hauptsächlich für die Armee gedacht war, ist im Gange. In seinem Rahmen wurden vielversprechende Ergebnisse in Form von autonomen Lösungen von praktischer Bedeutung erzielt. Zunächst wurde ein Robotergerät geschaffen, das am Unterkörper befestigt wurde, um den Beinen zusätzliche Kraft zu verleihen. Die Ausrüstung wurde von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) finanziert und vom Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, einer Abteilung der University of California, Berkeley Mechanical Engineering Department, entwickelt. Das Berkeley-Exoskelettsystem gibt Soldaten die Möglichkeit, große Nutzlasten mit minimalem Aufwand und über jede Art von Gelände zu tragen, wie z. B. Lebensmittel, Rettungsausrüstung, Erste-Hilfe-Ausrüstung, Kommunikationsmittel und Waffen. Neben militärischen Anwendungen entwickelt BLEEX derzeit zivile Projekte. Das Robotics and Human Engineering Laboratory untersucht derzeit die folgenden Lösungen: ExoHiker – ein Exoskelett, das hauptsächlich für Expeditionsteilnehmer entwickelt wurde, bei denen schwere Ausrüstung transportiert werden muss, ExoClimber – Ausrüstung für Menschen, die hohe Hügel erklimmen, Medizinisches Exoskelett – ein Exoskelett für Menschen mit Behinderungen körperliche Fähigkeiten. Mobilitätsstörungen der unteren Extremitäten.
8. Sarcos XOS 2-Prototyp in Aktion
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2010 – XOS 2 erscheint (8) ist eine Weiterentwicklung des XOS-Exoskeletts von Sarcos. Erstens ist das neue Design leichter und zuverlässiger geworden und ermöglicht das statische Heben von Lasten mit einem Gewicht von bis zu 90 kg. Das Gerät ähnelt einem Cyborg. Die Steuerung basiert auf dreißig Aktoren, die wie künstliche Gelenke wirken. Das Exoskelett enthält mehrere Sensoren, die über einen Computer Signale an Aktoren übermitteln. Somit erfolgt eine reibungslose und kontinuierliche Steuerung, ohne dass der Benutzer eine nennenswerte Anstrengung verspürt. Der XOS wiegt 68 kg.
2011-heute – Die US Food and Drug Administration (FDA) genehmigt das medizinische Exoskelett ReWalk (9). Dabei handelt es sich um ein System, das Kraftelemente zur Stärkung der Beine nutzt und Querschnittgelähmten das aufrechte Stehen, Gehen und Treppensteigen ermöglicht. Die Energieversorgung erfolgt über eine Rucksackbatterie. Die Steuerung erfolgt über eine einfache Handfernbedienung, die die Bewegungen des Benutzers erkennt und korrigiert. All dies wurde von Amit Goffer aus Israel entwickelt und wird von ReWalk Robotics Ltd (ursprünglich Argo Medical Technologies) für etwa 85 PLN verkauft. Dollar.
9. Menschen laufen in ReWalk-Exoskeletten
Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war das Gerät in zwei Versionen erhältlich – ReWalk I und ReWalk P. Die erste wird von medizinischen Einrichtungen für Forschungs- oder Therapiezwecke unter der Aufsicht eines medizinischen Fachpersonals verwendet. ReWalk P ist für den persönlichen Gebrauch durch Patienten zu Hause oder an öffentlichen Orten bestimmt. Im Januar 2013 wurde eine aktualisierte Version von ReWalk Rehabilitation 2.0 veröffentlicht. Dadurch wurde die Sitzposition für größere Personen verbessert und die Steuerungssoftware verbessert. ReWalk erfordert die Verwendung von Krücken. Als Kontraindikationen werden Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Knochenbrüchigkeit genannt. Einschränkungen bestehen auch bei der Körpergröße von 1,6 bis 1,9 m und dem Körpergewicht von bis zu 100 kg. Dies ist das einzige Exoskelett, mit dem man ein Auto fahren kann.
10. eLEGS von Ex Bionics
2012 Ekso Bionics, früher bekannt als Berkeley Bionics, stellt sein medizinisches Exoskelett vor. Das Projekt startete zwei Jahre zuvor unter dem Namen eLEGS (10) und war für die Rehabilitation von Menschen mit unterschiedlich ausgeprägten Lähmungen gedacht. Wie beim ReWalk erfordert das Design die Verwendung von Krücken. Der Akku liefert Energie für mindestens sechs Stunden Nutzung. Das Exo-Kit kostet etwa 100. Dollar. In Polen ist das Exoskelettprojekt Ekso GT bekannt – ein medizinisches Gerät, das für den Einsatz bei neurologischen Patienten entwickelt wurde. Sein Design ermöglicht das Gehen, auch für Menschen nach Schlaganfällen, Rückenmarksverletzungen, Patienten mit Multipler Sklerose oder mit Guillain-Barré-Syndrom. Abhängig vom Grad der Funktionsstörung des Patienten kann das Gerät in verschiedenen Modi betrieben werden.
2013 – Mindwalker, ein gedankengesteuertes Exoskelett-Projekt, erhält Fördermittel von der Europäischen Union. Das Design ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der Freien Universität Brüssel und der Santa Lucia Foundation in Italien. Die Forscher testeten verschiedene Möglichkeiten, das Gerät zu steuern – sie glauben, dass das Gehirn-Neuro-Computer-Interface (BNCI) am besten funktioniert, das es ermöglicht, es mit Gedanken zu steuern. Signale werden zwischen dem Gehirn und dem Computer ausgetauscht, wobei das Rückenmark umgangen wird. Mindwalker wandelt EMG-Signale, also kleine Potentiale (sogenannte Myopotentiale), die bei Muskelarbeit auf der Hautoberfläche einer Person erscheinen, in elektronische Bewegungsbefehle um. Das Exoskelett ist recht leicht und wiegt nur 30 kg ohne Batterien. Es trägt einen Erwachsenen mit einem Gewicht von bis zu 100 kg.
2016 – Die Technische Hochschule ETH in Zürich, Schweiz, veranstaltet den ersten Cybathlon-Sportwettkampf für Menschen mit Behinderungen mit Assistenzrobotern. Eine der Disziplinen war das Exoskelett-Rennen auf einem Hindernisparcours für Menschen mit Lähmungen der unteren Extremitäten. Bei dieser Demonstration von Fähigkeiten und Technologie mussten Exoskelett-Benutzer Aufgaben wie auf einer Couch sitzen und aufstehen, auf Hängen gehen, auf Felsen treten (wie beim Überqueren eines seichten Gebirgsflusses) und Treppen steigen. Es stellte sich heraus, dass niemand alle Übungen meistern konnte und die schnellsten Teams mehr als 50 Minuten brauchten, um den 8-Meter-Parcours zu absolvieren. Die nächste Veranstaltung findet 2020 als Indikator für die Entwicklung der Exoskelett-Technologie statt.
2019 – Während Sommervorführungen im Commando Training Centre in Lympston, Großbritannien, zeigte Richard Browning, Erfinder und CEO von Gravity Industries, seinen Exoskelett-Jetanzug Daedalus Mark 1, der einen großen Eindruck auf das Militär und nicht nur auf die Briten machte. Sechs kleine Strahltriebwerke – zwei davon sind hinten verbaut und zwei in Form von zusätzlichen Paaren an jedem Arm – ermöglichen einen Aufstieg in eine Höhe von bis zu 600 m. Bisher reicht der Treibstoff nur für 10 Minuten Flug ...
