Exoesqueletos

Aínda que ultimamente cada vez se escoita máis falar dos exoesqueletos, resulta que a historia deste invento remóntase ao século XIX. Descubre como cambiou ao longo das décadas e como foron os puntos de inflexión na súa evolución. 

1. Ilustración da patente de Nikolai Yagn

1890 – As primeiras ideas innovadoras para crear un exoesqueleto remóntanse ao século XIX. En 1890, Nicholas Yagn patentou nos Estados Unidos (patente nº US 420179 A) "Un dispositivo para facilitar camiñar, correr e saltar" (1). Era unha armadura feita de madeira, cuxo propósito era aumentar a velocidade dun guerreiro durante unha marcha de moitos quilómetros. O deseño converteuse nunha fonte de inspiración para seguir buscando a solución óptima.

1961 - Nos anos 60, a General Electric, xunto cun grupo de científicos da Universidade de Comell, comezou a traballar na creación dun traxe electrohidráulico que soporte o exercicio humano. A colaboración cos militares no proxecto Man Augmentation levou ao desenvolvemento do Hardiman (2). O obxectivo do proxecto era crear un traxe que imitase os movementos naturais dun humano, permitíndolle levantar obxectos de case 700 kg. O traxe en si pesaba o mesmo, pero o peso tanxible era de só 20 kg.

2. Prototipo de intercambiador de calor General Electric

A pesar do éxito do proxecto, resultou que a súa utilidade era insignificante e as copias iniciais serían caras. As súas opcións de mobilidade limitadas e o seu complexo sistema de enerxía acabaron inutilizando estes dispositivos. Durante as probas, descubriuse que Hardiman só pode levantar 350 kg e, cun uso prolongado, tende a movementos perigosos e descoordinados. A partir do desenvolvemento posterior do prototipo, só se abandonou un brazo: o dispositivo pesaba uns 250 kg, pero era tan pouco práctico como o exoesqueleto anterior.

Anos sesenta. “Debido ao seu tamaño, peso, inestabilidade e problemas de potencia, o Hardiman nunca entrou en produción, pero o industrial Man-Mate utilizou algunha tecnoloxía dos anos 60. Os dereitos da tecnoloxía foron comprados por Western Space and Marine, fundada por un dos enxeñeiros de GE. O produto foi desenvolvido aínda máis e hoxe existe en forma dun gran brazo robótico que pode levantar ata 4500 kg mediante realimentación de forza, polo que é ideal para a industria siderúrxica.

3. Exoesqueletos construídos no Instituto Mihailo Pupin de Serbia.

1972 – Os primeiros exoesqueletos activos e robots humanoides foron desenvolvidos no Instituto Mihailo Pupin de Serbia por un grupo dirixido polo prof. Miomir Vukobratovich. En primeiro lugar, desenvolvéronse sistemas de movemento de pernas para apoiar a rehabilitación das persoas que padecen paraplexia (3). Ao desenvolver exoesqueletos activos, o instituto tamén desenvolveu métodos para analizar e controlar a marcha humana. Algúns destes avances contribuíron ao desenvolvemento dos robots humanoides de alto rendemento actuais. En 1972, nunha clínica ortopédica de Belgrado probouse un exoesqueleto pneumático activo con programación electrónica para a parálise das extremidades inferiores.

1985 "Un enxeñeiro do Laboratorio Nacional de Los Álamos está a construír un exoesqueleto chamado Pitman, unha armadura de poder para os soldados de infantería. O control do dispositivo baseouse en sensores que escanean a superficie do cranio, colocados nun casco especial. Dadas as capacidades da tecnoloxía da época, era un deseño demasiado complexo para fabricar. A limitación foi principalmente a insuficiente potencia de computación dos ordenadores. Ademais, procesar sinais cerebrais e convertelos en movementos do exoesqueleto seguía sendo tecnicamente practicamente imposible naquel momento.

4. Traxe salvavidas de exoesqueleto, deseñado por Monty Reed.

1986 - Monty Reed, soldado do exército dos Estados Unidos que se fracturou a columna vertebral mentres facía paracaidismo, desenvolve un exoesqueleto de traxe de supervivencia (4). Inspirouse nas descricións dos traxes de infantería móbiles da novela de ciencia ficción Starship Troopers de Robert Heinlein, que leu mentres se recuperaba no hospital. Non obstante, Reed non comezou a traballar no seu dispositivo ata 2001. En 2005, probou un traxe de rescate prototipo 4,8 na carreira do día de San Patricio en Seattle, Washington. O desenvolvedor afirma que estableceu un récord de velocidade de marcha en traxes de robot, percorrendo 4 quilómetros a unha velocidade media de 14 km/h. O prototipo Lifesuit 1,6 foi capaz de percorrer 92 km totalmente cargado e permitiu levantar XNUMX kg.

1990-presente - O primeiro prototipo do exoesqueleto HAL foi proposto por Yoshiyuki Sankai (5), prof. Universidade de Tsukuba. Sankai pasou tres anos -de 1990 a 1993- identificando as neuronas que controlan o movemento das pernas. El e o seu equipo tardou outros catro anos en prototipar o equipo. O terceiro prototipo de HAL, desenvolvido a principios do século XXII, estaba conectado a un ordenador. A propia batería pesaba case 22 kg, o que o facía moi pouco práctico. En cambio, o modelo posterior HAL-5 só pesaba 10 kg e tiña a batería e o ordenador de control envoltos na cintura do usuario. HAL-5 é actualmente un exoesqueleto médico de catro membros (aínda que tamén está dispoñible unha versión só para membros inferiores) fabricado pola empresa xaponesa Cyberdyne Inc. en colaboración coa Universidade de Tsukuba.

5. O profesor Yoshiyuki Sankai presenta un dos modelos de exoesqueleto.

Funciona aproximadamente 2 horas e 40 minutos tanto en interiores como en exteriores. Axuda a levantar obxectos pesados. A localización dos mandos e a condución en colectores no interior da caixa permitiu desfacerse da "mochila" tan característica da maioría dos exoesqueletos, ás veces semellante a un gran insecto. As persoas con hipertensión, osteoporose e calquera enfermidade cardíaca deben consultar a un médico antes de usar HAL, e as contraindicacións inclúen, pero non se limitan a, un marcapasos e o embarazo. No marco do programa HAL FIT, o fabricante ofrece a posibilidade de utilizar sesións de tratamento con exoesqueleto tanto para persoas enfermas como para persoas sans. O deseñador HAL afirma que as próximas etapas da actualización centraranse na creación dun traxe fino que permita ao usuario moverse libremente e mesmo correr. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni e o seu equipo de Ekso Bionics están a desenvolver un Universal Human Cargo Carrier, ou HULC (6) é un exoesqueleto sen fíos con accionamento hidráulico. A súa finalidade é axudar aos soldados en guerra a transportar cargas de ata 90 kg durante moito tempo, cunha velocidade máxima de 16 km/h. O sistema foi presentado ao público no AUSA Winter Symposium o 26 de febreiro de 2009, cando se chegou a un acordo de licenza con Lockheed Martin. O material dominante utilizado neste deseño é o titanio, un material lixeiro pero relativamente caro con altas propiedades mecánicas e de resistencia.

O exoesqueleto está equipado con ventosas que permiten transportar obxectos de ata 68 kg (dispositivo de elevación). A enerxía é subministrada por catro baterías de polímero de litio, que aseguran o funcionamento normal do dispositivo cunha carga óptima ata 20 horas. O exoesqueleto foi probado en varias condicións de combate e con varias cargas. Despois dunha serie de experimentos exitosos no outono de 2012, foi enviado a Afganistán, onde foi probado durante un conflito armado. A pesar de moitas críticas positivas, o proxecto quedou en suspenso. Como se viu, o deseño dificultou a realización de certos movementos e realmente aumentou a carga sobre os músculos, o que contradí a idea xeral da súa creación.

2001 – O proxecto Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), orixinalmente destinado principalmente ao exército, está en marcha. No seu marco, conseguíronse resultados prometedores en forma de solucións autónomas de importancia práctica. En primeiro lugar, creouse un dispositivo robótico, unido á parte inferior do corpo para darlle ás pernas unha forza extra. O equipo foi financiado pola Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e desenvolvido polo Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, unha división do Departamento de Enxeñaría Mecánica da Universidade de California, Berkeley. O sistema de exoesqueleto de Berkeley dá aos soldados a posibilidade de transportar grandes cargas cun mínimo esforzo e sobre calquera tipo de terreo, como alimentos, equipos de rescate, botiquíns de primeiros auxilios, comunicacións e armas. Ademais das aplicacións militares, BLEEX está a desenvolver actualmente proxectos civís. O Laboratorio de Robótica e Enxeñaría Humana está a investigar actualmente as seguintes solucións: ExoHiker - un exoesqueleto deseñado principalmente para membros da expedición onde hai que transportar equipos pesados, ExoClimber - equipos para persoas que escalan outeiros altos, Medical Exoskeleton - un exoesqueleto para persoas con discapacidade. capacidades físicas. trastornos da mobilidade dos membros inferiores.

8. Prototipo Sarcos XOS 2 en acción

o texto

2010 – Aparece XOS 2 (8) é unha continuación do exoesqueleto XOS de Sarcos. En primeiro lugar, o novo deseño fíxose máis lixeiro e fiable, o que lle permite levantar cargas de ata 90 kg en estática. O dispositivo semella un cyborg. O control baséase en trinta actuadores que actúan como articulacións artificiais. O exoesqueleto contén varios sensores que transmiten sinais aos actuadores a través dun ordenador. Deste xeito, prodúcese un funcionamento suave e continuo, e o usuario non sente ningún esforzo significativo. O peso de XOS é de 68 kg.

2011-presente - A Administración de Drogas e Alimentos dos Estados Unidos (FDA) aproba o exoesqueleto médico ReWalk (9). É un sistema que utiliza elementos de forza para fortalecer as pernas e permite que as persoas con parálise se poñan de pé, camiñen e suban escaleiras. A enerxía é proporcionada por unha batería de mochila. O control realízase mediante un sinxelo mando a distancia manual que detecta e corrixe os movementos do usuario. Todo o proxecto foi deseñado por Amit Goffer de Israel e está a ser vendido por ReWalk Robotics Ltd (orixinalmente Argo Medical Technologies) por uns 85 PLN. dólares.

9 persoas camiñan en ReWalk Exoskeletons

No momento do lanzamento, o equipo estaba dispoñible en dúas versións: ReWalk I e ReWalk P. A primeira é utilizada por institucións médicas con fins de investigación ou terapéuticos baixo a supervisión dun profesional médico. ReWalk P está pensado para uso persoal dos pacientes na casa ou en áreas públicas. En xaneiro de 2013, lanzouse unha versión actualizada de ReWalk Rehabilitation 2.0. Isto mellorou o axuste para persoas máis altas e mellorou o software de control. ReWalk require que o usuario use muletas. As enfermidades cardiovasculares e a fraxilidade ósea menciónanse como contraindicacións. A limitación tamén é o crecemento, dentro de 1,6-1,9 m, e o peso corporal de ata 100 kg. Este é o único exoesqueleto no que podes conducir un coche.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, antes coñecida como Berkeley Bionics, presenta o seu exoesqueleto médico. O proxecto comezou dous anos antes co nome eLEGS (10), e estaba destinado á rehabilitación de persoas con diversos graos de parálise. Do mesmo xeito que ReWalk, a construción require o uso de muletas. A batería proporciona enerxía durante polo menos seis horas de uso. O conxunto Exo custa uns 100 mil. dólares. En Polonia coñécese o proxecto do exoesqueleto Ekso GT, un dispositivo médico deseñado para traballar con pacientes neurolóxicos. O seu deseño permite camiñar, incluíndo persoas tras accidentes cerebrovasculares, lesións medulares, pacientes con esclerose múltiple ou con síndrome de Guillain-Barré. O equipo pode funcionar en varios modos diferentes, dependendo do grao de disfunción do paciente.

2013 – Mindwalker, un proxecto de exoesqueleto controlado pola mente, recibe financiamento da Unión Europea. O deseño é froito dunha colaboración entre científicos da Universidade Libre de Bruxelas e da Fundación Santa Lucía en Italia. Os investigadores probaron diferentes formas de controlar o dispositivo: cren que a interface cerebro-neuro-computadora (BNCI) funciona mellor, o que che permite controlalo con pensamentos. Os sinais pasan entre o cerebro e o ordenador, evitando a medula espiñal. Mindwalker converte os sinais EMG, é dicir, pequenos potenciais (chamados miopotenciais) que aparecen na superficie da pel dunha persoa cando os músculos están a traballar, en ordes de movemento electrónico. O exoesqueleto é bastante lixeiro, só pesa 30 kg sen pilas. Soportará un adulto que pese ata 100 kg.

2016 – A Universidade Técnica ETH de Zúric, Suíza, acolle a primeira competición deportiva de Cybathlon para persoas con discapacidade que utilizan robots de asistencia. Unha das disciplinas foi a carreira de exoesqueleto nunha pista de obstáculos para persoas con parálise das extremidades inferiores. Nesta demostración de habilidades e tecnoloxía, os usuarios de exoesqueleto tiveron que realizar tarefas como sentarse nun sofá e erguerse, camiñar por ladeiras, pisar rochas (como cando se cruza un río de montaña pouco profundo) e subir escaleiras. Resultou que ninguén era capaz de dominar todos os exercicios, e os equipos máis rápidos tardaron máis de 50 minutos en completar a carreira de obstáculos de 8 metros. O próximo evento terá lugar en 2020 como un indicador do desenvolvemento da tecnoloxía do exoesqueleto.

2019 – Durante as demostracións de verán no Commando Training Center de Lympston, Reino Unido, Richard Browning, inventor e CEO de Gravity Industries, mostrou o seu traxe jet de exoesqueleto Daedalus Mark 1, que causou unha gran impresión nos militares, e non só nos británicos. Seis pequenos motores a reacción -dous deles están instalados na parte traseira e dous en forma de pares adicionais en cada brazo- permítenche subir a unha altura de ata 600 m. Ata agora, só hai combustible suficiente para 10 minutos de voo...