kerangka luar

Meski belakangan ini semakin banyak terdengar tentang eksoskeleton, ternyata sejarah penemuan ini kembali ke abad kesembilan belas. Cari tahu bagaimana ia telah berubah selama beberapa dekade dan seperti apa titik balik dalam evolusinya. 

1. Ilustrasi dari paten Nikolai Yagn

1890 – Ide inovatif pertama untuk membuat kerangka luar berasal dari abad ke-1890. Pada tahun 420179, Nicholas Yagn mematenkan di Amerika Serikat (paten No. US XNUMX A) "Alat untuk memfasilitasi berjalan, berlari, dan melompat" (1). Itu adalah baju besi yang terbuat dari kayu, yang tujuannya adalah untuk meningkatkan kecepatan seorang pejuang selama perjalanan sejauh beberapa kilometer. Desain menjadi sumber inspirasi untuk pencarian lebih lanjut untuk solusi optimal.

1961 - Pada tahun 60-an, General Electric, bersama sekelompok ilmuwan dari Universitas Comell, mulai mengerjakan pembuatan setelan elektro-hidraulik yang mendukung olahraga manusia. Kolaborasi dengan militer dalam proyek Man Augmentation mengarah pada pengembangan Hardiman (2). Tujuan dari proyek ini adalah untuk membuat setelan yang meniru gerakan alami manusia, yang memungkinkannya mengangkat benda dengan berat hampir 700 kg. Kostum itu sendiri memiliki berat yang sama, tetapi berat yang nyata hanya 20 kg.

2. Penukar panas prototipe General Electric

Terlepas dari keberhasilan proyek, ternyata kegunaannya dapat diabaikan, dan salinan awal akan mahal. Pilihan mobilitas mereka yang terbatas dan sistem daya yang kompleks akhirnya membuat perangkat ini tidak dapat digunakan. Selama pengujian, ternyata Hardiman hanya bisa mengangkat 350 kg, dan dengan penggunaan jangka panjang memiliki kecenderungan berbahaya, gerakan tidak terkoordinasi. Dari pengembangan prototipe lebih lanjut, hanya satu lengan yang ditinggalkan - perangkat ini memiliki berat sekitar 250 kg, tetapi itu sama tidak praktisnya dengan kerangka luar sebelumnya.

70-s. “Karena masalah ukuran, berat, ketidakstabilan, dan tenaga, Hardiman tidak pernah diproduksi, tetapi industri Man-Mate menggunakan beberapa teknologi dari tahun 60-an. Hak atas teknologi tersebut dibeli oleh Western Space and Marine, yang didirikan oleh salah satu insinyur GE. Produk ini telah dikembangkan lebih lanjut dan saat ini hadir dalam bentuk lengan robotik besar yang dapat mengangkat hingga 4500 kg menggunakan umpan balik gaya, menjadikannya ideal untuk industri baja.

3. Exoskeletons dibangun di Mihailo Pupin Institute di Serbia.

1972 – Eksoskeleton aktif awal dan robot humanoid dikembangkan di Institut Mihailo Pupin di Serbia oleh kelompok yang dipimpin oleh prof. Miomir Vukobratovich. Pertama, sistem pergerakan kaki telah dikembangkan untuk mendukung rehabilitasi penderita paraplegia (3). Saat mengembangkan eksoskeleton aktif, lembaga tersebut juga mengembangkan metode untuk menganalisis dan mengendalikan gaya berjalan manusia. Beberapa dari kemajuan ini telah berkontribusi pada pengembangan robot humanoid berkinerja tinggi saat ini. Pada tahun 1972, eksoskeleton pneumatik aktif dengan pemrograman elektronik untuk kelumpuhan ekstremitas bawah diuji di klinik ortopedi di Beograd.

1985 “Seorang insinyur di Laboratorium Nasional Los Alamos sedang membangun kerangka luar yang disebut Pitman, pelindung kekuatan untuk prajurit infanteri. Kontrol perangkat didasarkan pada sensor yang memindai permukaan tengkorak yang ditempatkan di helm khusus. Mengingat kemampuan teknologi saat itu, desainnya terlalu rumit untuk diproduksi. Keterbatasan terutama adalah daya komputasi komputer yang tidak mencukupi. Selain itu, memproses sinyal otak dan mengubahnya menjadi gerakan kerangka luar secara teknis masih mustahil pada saat itu.

4. Exoskeleton Lifesuit, dirancang oleh Monty Reed.

1986 — Monty Reed, prajurit Angkatan Darat AS yang tulang punggungnya patah saat terjun payung, mengembangkan kerangka luar pakaian bertahan hidup (4). Dia terinspirasi oleh deskripsi pakaian infanteri bergerak dalam novel fiksi ilmiah Robert Heinlein Starship Troopers, yang dia baca saat memulihkan diri di rumah sakit. Namun, Reed tidak mulai mengerjakan perangkatnya sampai tahun 2001. Pada tahun 2005, ia menguji prototipe 4,8 penyelamatan dalam perlombaan Hari St. Patrick di Seattle, Washington. Pengembang mengklaim telah membuat rekor kecepatan berjalan dalam pakaian robot, menempuh jarak 4 kilometer dengan kecepatan rata-rata 14 km/jam. Prototipe Lifesuit 1,6 mampu menempuh jarak 92 km dengan muatan penuh dan memungkinkan untuk mengangkat XNUMX kg.

1990-sekarang - Prototipe pertama exoskeleton HAL diusulkan oleh Yoshiyuki Sankai (5), Prof. Universitas Tsukuba. Sankai menghabiskan tiga tahun - dari 1990 hingga 1993 - mengidentifikasi neuron yang mengontrol gerakan kaki. Dia dan timnya butuh empat tahun lagi untuk membuat prototipe peralatan. Prototipe HAL ketiga, yang dikembangkan pada awal abad ke-22, terhubung ke komputer. Baterai itu sendiri memiliki berat hampir 5 kg, yang membuatnya sangat tidak praktis. Sebaliknya, model HAL-10 selanjutnya hanya berbobot 5 kg dan memiliki baterai dan komputer kontrol yang melingkari pinggang pengguna. HAL-XNUMX saat ini merupakan exoskeleton medis empat tungkai (meskipun versi hanya tungkai bawah juga tersedia) yang diproduksi oleh perusahaan Jepang Cyberdyne Inc. bekerjasama dengan Universitas Tsukuba.

5. Profesor Yoshiyuki Sankai menghadirkan salah satu model exoskeleton.

Bekerja kurang lebih 2 jam 40 menit baik di dalam maupun di luar ruangan. Membantu mengangkat benda berat. Lokasi kontrol dan drive dalam wadah di dalam kasing memungkinkan untuk menyingkirkan "ransel" yang menjadi ciri sebagian besar kerangka luar, terkadang menyerupai serangga besar. Orang dengan hipertensi, osteoporosis, dan kondisi jantung apa pun harus berkonsultasi dengan dokter sebelum menggunakan HAL, dan kontraindikasi termasuk, tetapi tidak terbatas pada, alat pacu jantung dan kehamilan. Sebagai bagian dari program HAL FIT, pabrikan menawarkan kemungkinan menggunakan sesi perawatan dengan kerangka luar untuk orang sakit dan sehat. Perancang HAL mengklaim bahwa tahap peningkatan berikutnya akan fokus pada pembuatan setelan tipis yang memungkinkan pengguna untuk bergerak bebas dan bahkan berlari. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni dan timnya di Ekso Bionics sedang mengembangkan Universal Human Cargo Carrier, atau HULC (6) adalah kerangka luar nirkabel dengan penggerak hidrolik. Tujuannya untuk membantu prajurit yang berperang membawa beban dengan berat hingga 90 kg dalam waktu lama, dengan kecepatan maksimum 16 km/jam. Sistem ini diperkenalkan ke publik pada Simposium Musim Dingin AUSA pada 26 Februari 2009, ketika kesepakatan lisensi dicapai dengan Lockheed Martin. Material dominan yang digunakan dalam desain ini adalah titanium, material yang ringan namun relatif mahal dengan sifat mekanik dan kekuatan yang tinggi.

Exoskeleton dilengkapi dengan suction cup yang memungkinkan Anda membawa benda dengan berat hingga 68 kg (alat pengangkat). Daya disuplai dari empat baterai lithium-polimer, yang memastikan pengoperasian normal perangkat pada beban optimal hingga 20 jam. Exoskeleton diuji dalam berbagai kondisi pertempuran dan dengan berbagai beban. Setelah serangkaian percobaan yang sukses pada musim gugur 2012, ia dikirim ke Afghanistan, di mana ia diuji selama konflik bersenjata. Meskipun banyak ulasan positif, proyek itu ditunda. Ternyata, desainnya mempersulit untuk melakukan gerakan tertentu dan benar-benar meningkatkan beban pada otot, yang bertentangan dengan gagasan umum penciptaannya.

2001 – Proyek Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), awalnya ditujukan terutama untuk tentara, sedang berlangsung. Dalam kerangka kerjanya, hasil yang menjanjikan telah dicapai dalam bentuk solusi otonom yang penting secara praktis. Pertama-tama, perangkat robot dibuat, dipasang ke tubuh bagian bawah untuk memberikan kekuatan ekstra pada kaki. Peralatan tersebut didanai oleh Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) dan dikembangkan oleh Laboratorium Robotika dan Rekayasa Manusia Berkeley, sebuah divisi dari Departemen Teknik Mesin Universitas California, Berkeley. Sistem exoskeleton Berkeley memberi tentara kemampuan untuk membawa muatan besar dengan sedikit usaha dan melewati semua jenis medan, seperti makanan, peralatan penyelamat, kotak PXNUMXK, komunikasi, dan senjata. Selain aplikasi militer, BLEEX saat ini sedang mengembangkan proyek sipil. Laboratorium Robotika dan Rekayasa Manusia saat ini sedang menyelidiki solusi berikut: ExoHiker - exoskeleton yang dirancang terutama untuk anggota ekspedisi di mana ada kebutuhan untuk mengangkut alat berat, ExoClimber - peralatan untuk mendaki bukit tinggi, Medical Exoskeleton - exoskeleton untuk penyandang cacat kemampuan fisik. gangguan mobilitas ekstremitas bawah.

8. Prototipe Sarcos XOS 2 beraksi

teksnya

2010 – XOS 2 muncul (8) adalah kelanjutan dari exoskeleton XOS dari Sarcos. Pertama-tama, desain baru menjadi lebih ringan dan lebih andal, memungkinkan Anda mengangkat beban dengan berat hingga 90 kg dalam keadaan statis. Perangkat itu menyerupai cyborg. Kontrol didasarkan pada tiga puluh aktuator yang bertindak seperti sambungan buatan. Exoskeleton berisi beberapa sensor yang mengirimkan sinyal ke aktuator melalui komputer. Dengan cara ini, operasi yang lancar dan berkelanjutan terjadi, dan pengguna tidak merasakan upaya yang berarti. Berat XOS adalah 68 kg.

2011-sekarang - Badan Pengawas Obat dan Makanan AS (FDA) menyetujui exoskeleton medis ReWalk (9). Ini adalah sistem yang menggunakan elemen kekuatan untuk memperkuat kaki dan memungkinkan orang dengan kelumpuhan untuk berdiri tegak, berjalan dan menaiki tangga. Energi disediakan oleh baterai ransel. Kontrol dilakukan dengan menggunakan remote control genggam sederhana yang mendeteksi dan mengoreksi gerakan pengguna. Semuanya dirancang oleh Amit Goffer dari Israel dan dijual oleh ReWalk Robotics Ltd (awalnya Argo Medical Technologies) seharga sekitar PLN 85. dolar.

9 Orang Berjalan Di ReWalk Exoskeletons

Pada saat dirilis, peralatan tersebut tersedia dalam dua versi - ReWalk I dan ReWalk P. Yang pertama digunakan oleh institusi medis untuk tujuan penelitian atau terapi di bawah pengawasan seorang profesional medis. ReWalk P ditujukan untuk penggunaan pribadi oleh pasien di rumah atau di tempat umum. Pada Januari 2013, versi terbaru dari ReWalk Rehabilitation 2.0 dirilis. Ini meningkatkan kecocokan untuk orang yang lebih tinggi dan meningkatkan perangkat lunak kontrol. ReWalk mengharuskan pengguna untuk menggunakan kruk. Penyakit kardiovaskular dan kerapuhan tulang disebut sebagai kontraindikasi. Keterbatasan juga pertumbuhan, dalam 1,6-1,9 m, dan berat badan hingga 100 kg. Ini adalah satu-satunya kerangka luar tempat Anda dapat mengendarai mobil.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, sebelumnya dikenal sebagai Berkeley Bionics, meluncurkan exoskeleton medisnya. Proyek ini dimulai dua tahun sebelumnya dengan nama eLEGS (10), dan dimaksudkan untuk rehabilitasi orang dengan berbagai tingkat kelumpuhan. Seperti ReWalk, konstruksi membutuhkan penggunaan kruk. Baterai menyediakan energi untuk setidaknya enam jam penggunaan. Exo set harganya sekitar 100 ribu. dolar. Di Polandia, proyek exoskeleton Ekso GT, perangkat medis yang dirancang untuk bekerja dengan pasien neurologis, diketahui. Desainnya memungkinkan berjalan, termasuk orang-orang setelah stroke, cedera tulang belakang, pasien dengan multiple sclerosis atau dengan sindrom Guillain-Barré. Peralatan dapat beroperasi dalam beberapa mode berbeda, tergantung pada tingkat disfungsi pasien.

2013 – Mindwalker, proyek exoskeleton yang dikendalikan pikiran, menerima dana dari Uni Eropa. Desainnya merupakan hasil kolaborasi antara ilmuwan dari Free University of Brussels dan Santa Lucia Foundation di Italia. Para peneliti menguji berbagai cara untuk mengontrol perangkat - mereka percaya bahwa antarmuka otak-neuro-komputer (BNCI) berfungsi paling baik, yang memungkinkan Anda mengontrolnya dengan pikiran. Sinyal melewati antara otak dan komputer, melewati sumsum tulang belakang. Mindwalker mengubah sinyal EMG, yaitu potensi kecil (disebut myopotentials) yang muncul di permukaan kulit seseorang saat otot bekerja, menjadi perintah gerakan elektronik. Eksoskeletonnya cukup ringan, beratnya hanya 30 kg tanpa baterai. Ini akan mendukung orang dewasa dengan berat hingga 100 kg.

2016 – Universitas Teknis ETH di Zurich, Swiss, menjadi tuan rumah kompetisi olahraga Cybathlon pertama untuk penyandang disabilitas menggunakan robot bantu. Salah satu disiplin ilmu adalah perlombaan kerangka luar di jalur rintangan bagi orang-orang dengan kelumpuhan ekstremitas bawah. Dalam demonstrasi keterampilan dan teknologi ini, pengguna exoskeleton harus melakukan tugas seperti duduk di sofa dan berdiri, berjalan di lereng, menginjak batu (seperti saat melintasi sungai pegunungan yang dangkal), dan menaiki tangga. Ternyata tidak ada yang bisa menguasai semua latihan, dan tim tercepat membutuhkan waktu lebih dari 50 menit untuk menyelesaikan rintangan 8 meter. Acara berikutnya akan berlangsung pada tahun 2020 sebagai indikator perkembangan teknologi exoskeleton.

2019 – Selama demonstrasi musim panas di Commando Training Center di Lympston, Inggris, Richard Browning, penemu dan CEO Gravity Industries, memamerkan setelan jet exoskeleton Daedalus Mark 1 miliknya, yang membuat kesan besar di militer, dan tidak hanya di Inggris. Enam mesin jet kecil - dua di antaranya dipasang di belakang dan dua dalam bentuk pasangan tambahan di setiap lengan - memungkinkan Anda mendaki hingga ketinggian 600 m Sejauh ini bahan bakar hanya cukup untuk 10 menit perjalanan penerbangan ...