外骨骼
儘管最近我們越來越多地聽到關於外骨骼的消息，但事實證明，這項發明的歷史可以追溯到十九世紀。 了解它在過去幾十年中發生了怎樣的變化以及其演變的轉折點是什麼樣的。
1. Nikolai Yagna專利插圖
1890 – 製造外骨骼的第一個創新想法可以追溯到 1890 世紀。 420179年，Nicholas Yagn在美國獲得專利（專利號US XNUMX A）「便於行走、跑步和跳躍的裝置」（1）。 這是一種木頭鎧甲，目的是為了提高戰士在數公里行軍中的速度。 該設計成為進一步尋找最佳解決方案的靈感來源。
1961 – 60 年代，通用電氣與科梅拉大學的一群科學家開始致力於開發一種支持人體鍛鍊的電動液壓衣。 與軍方在人類增強項目上的合作導致了哈迪曼（Hardiman）的開發（2）。 該項目的目標是創造一套能夠模仿人的自然動作的套裝，讓他能夠舉起近 700 公斤重的物體。 套裝本身重量相同，但有形重量只有20公斤。
2.通用電氣熱交換器原型
儘管該項目取得了成功，但事實證明它的用處可以忽略不計，而且最初的副本價格昂貴。 有限的移動選擇和複雜的電力系統最終導致這些設備無法使用。 在測試過程中發現，Hardiman只能舉起350公斤，並且長時間使用時，容易做出危險的、不協調的動作。 原型機的進一步開發中只放棄了一隻手臂——該設備重約 250 公斤，但它與之前的外骨骼一樣不切實際。
70年代。 – 由於其尺寸、重量、不穩定性和電力問題，Hardiman 從未投入生產，但 Man-Mate 工業手臂採用了大約 60 年代的技術。 該技術的權利被由通用電氣公司的一位工程師創立的西方航太與海洋公司購買。 該產品經過進一步開發，如今以大型機械手臂的形式存在，利用力回饋，可以舉起高達 4500 公斤的重量，使其成為鋼鐵業的理想選擇。
3. 塞爾維亞 Mihajlo Pupin 研究所製造的外骨骼。
1972 – 早期的主動外骨骼和人形機器人是由塞爾維亞 Mihajlo Pupin 研究所由教授領導的團隊開發的。 米奧米爾·武科布拉托維奇。 首先，開發了腿部運動系統來支持截癱患者的復健（3）。 在開發主動外骨骼的同時，該研究所也發展了分析和控制人類步態的方法。 其中一些進步促進了當今高性能人形機器人的發展。 1972 年，貝爾格萊德的一家骨科診所對一種用於截癱患者的具有氣動驅動和電子編程功能的主動外骨骼進行了測試。
1985 – 洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一名工程師正在製造一種名為 Pitman 的外骨骼，這是步兵的動力裝甲。 該設備的控制是基於掃描放置在特殊頭盔中的頭骨表面的傳感器。 考慮到當時的技術能力，這種設計過於複雜，無法生產。 限制主要是計算機的運算能力不足。 此外，處理大腦訊號並將其轉換為外骨骼運動在當時在技術上實際上仍然是不可能的。
4. Monty Reed 設計的救生衣外骨骼。
1986 – 蒙蒂·里德 (Monty Reed) 是一位在跳傘時摔斷脊椎的美國陸軍士兵，他正在開發一種用於救生衣的外骨骼（4）。 他在醫院康復期間讀到了羅伯特·海因萊因的科幻小說《星河戰隊》中對機動步兵服的描述，這給他帶來了靈感。 然而，里德直到 2001 年才開始研究他的設備。 2005 年，他在華盛頓州西雅圖的聖派翠克節比賽中測試了 4,8 號逃生服原型。 開發商聲稱創造了機器人套裝行走速度的記錄，以平均 4 公里/小時的速度行走 14 公里。 Lifesuit 1,6 原型機充滿電後能夠行駛 92 公里，能夠舉起 XNUMX 公斤的重量。
1990年至今 – HAL 外骨骼的第一個原型由 Yoshiyuki Sankai 提出（5），教授。 筑波大學。 從 1990 年到 1993 年，Sankai 花了三年時間來識別控制腿部運動的神經元。 他和他的團隊又花了四年的時間來製作設備原型。 第三個 HAL 原型於 22 世紀初開發，連接到電腦。 電池本身重近5公斤，非常不實用。 相較之下，後來的型號HAL-10重量僅5公斤，電池和控制計算機都纏繞在使用者的腰間。 HAL-XNUMX目前是由日本Cyberdyne Inc.製造的四肢醫用外骨骼（儘管也有僅下肢的版本）。 與筑波大學合作。
5. Yoshiyuki Sankai 教授展示了一種外骨骼模型。
室內和室外運作時間約 2 小時 40 分鐘。 幫助舉起重物。 將控制和驅動元件佈置在身體內部的容器中，使得擺脫大多數外骨骼特徵的「背包」成為可能，有時類似於大型昆蟲。 患有高血壓、骨質疏鬆症和任何心臟疾病的人在使用 HAL 前應諮詢醫生，禁忌症包括但不限於起搏器和懷孕。 作為 HAL FIT 計劃的一部分，製造商為病人和健康人提供了使用外骨骼進行治療的可能性。 設計師 HAL 聲稱，下一階段的現代化目標是打造一款輕薄的套裝，讓使用者能夠自由移動甚至跑步。
2000 – 教授。 Homayoun Kazerouni 和他在 Ekso Bionics 的團隊正在開發人類通用貨運載體 (HULC)（6）是一種液壓驅動的無線外骨骼。 其目的是幫助戰鬥士兵長時間攜帶重達90公斤的負載，最高速度可達16公里/小時。 該系統於 26 年 2009 月 XNUMX 日在 AUSA 冬季研討會上向公眾公佈，當時與洛克希德馬丁公司達成了許可協議。 設計中使用的主要材料是鈦，這是一種重量輕但相對昂貴的材料，具有高機械和強度特性。
外骨骼配備吸盤，可承載重達 68 公斤的物體（起重裝置）。 由四顆鋰聚合物電池供電，可確保設備在最佳負載下正常運作長達 20 小時。 外骨骼在各種戰鬥條件和各種負荷下進行了測試。 經過一系列成功的實驗後，2012年秋天，他被派往阿富汗，在武裝衝突期間接受了考驗。 儘管獲得了許多正面評價，該專案還是被暫停了。 事實證明，該設計使得執行某些動作變得困難，實際上增加了肌肉的負荷，這與其創作的整體理念相矛盾。
2001 – 伯克利下肢外骨骼 (BLEEX) 計畫最初主要針對陸軍，目前正在進行中。 在其框架內，以具有實際意義的自主解決方案的形式取得了有希望的成果。 首先，創建了一種連接到下半身的機器人設備，為腿部提供額外的力量。 該設備由國防高級研究計劃局（DARPA）資助，由加州大學柏克萊分校機械工程系下屬的柏克萊機器人和人類工程實驗室開發。 伯克利的外骨骼系統使士兵能夠以最少的努力在任何類型的地形上攜帶大量負載，例如食物、救援設備、急救箱、通訊設備和武器。 除了軍事應用之外，BLEEX 目前正在開發民用項目。 機器人與人體工學實驗室目前正在研究以下解決方案：ExoHiker - 一種主要為需要運輸重型設備的探險參與者設計的外骨骼，ExoClimber - 供攀登高山的人使用的設備，醫療外骨骼- 一種為有需要的人設計的外骨骼。身體能力殘障。 下肢活動能力受損。
8. Sarcos XOS 2 原型的實際應用
文本
2010 – XOS 2 出現（8）是 Sarcos 的 XOS 外骨骼的延續。 首先，新設計變得更輕、更可靠，允許靜態提升重達 90 公斤的負載。 該設備類似於一個機器人。 此控制基於三十個類似人工關節的執行器。 外骨骼包含多個感測器，這些感測器透過電腦將訊號傳輸到執行器。 因此，使用者無需感到任何顯著的努力即可實現平穩且連續的控制。 XOS重68公斤。
2011年至今 – 美國食品藥物管理局 (FDA) 批准 ReWalk 醫用外骨骼 (9）。 此系統利用力量元素增強腿部力量，讓截癱患者能夠直立、行走和爬樓梯。 能量由背包電池提供。 使用簡單的手持遙控器進行控制，可以偵測並修正使用者的動作。 所有這些均由以色列的 Amit Goffer 開發，並由 ReWalk Robotics Ltd（原 Argo Medical Technologies）以約 85 萬茲羅提出售。 美元。
9.人們穿著ReWalk外骨骼行走
發佈時，該設備有兩個版本 - ReWalk I 和 ReWalk P。第一個版本供醫療機構在醫療專業人員的監督下用於研究或治療目的。 ReWalk P 供患者在家中或公共場所個人使用。 2013年2.0月，ReWalk復健1,6更新版發布。 這改善了身材較高的人的座位位置並改進了控制軟體。 ReWalk 要求使用者使用拐杖。 心血管疾病和骨質脆弱被列為禁忌症。 身高也有限制，在 1,9-100 m 以內，體重不超過 XNUMX kg。 這是唯一可以駕駛汽車的外骨骼。
10. Ex Bionics 的 eLEGS
2012 – Ekso Bionics（以前稱為 Berkeley Bionics）推出了其醫用外骨骼。 該計畫於兩年前啟動，名稱為 eLEGS（10），旨在幫助不同程度癱瘓的人復原。 與 ReWalk 一樣，該設計需要使用拐杖。 電池可提供至少六小時的使用能量。 Exo套件售價約100萬。 美元。 在波蘭，Ekso GT 外骨骼計畫廣為人知——這是一種專為神經系統患者設計的醫療設備。 它的設計允許步行，包括中風後、脊髓損傷、多發性硬化症或格林巴利綜合症患者。 該設備可以根據患者功能障礙的程度以多種不同的模式運作。
2013 – Mindwalker 是一個意念控制的外骨骼項目，獲得了歐盟的資助。 該設計是布魯塞爾自由大學和義大利聖盧西亞基金會的科學家合作的結果。 研究人員測試了控制該設備的不同方法——他們認為大腦-神經-電腦介面（BNCI）效果最好，它可以讓你用你的思想來控制它。 訊號繞過脊髓在大腦和電腦之間傳輸。 Mindwalker 將肌電圖訊號（肌肉工作時出現在人的皮膚表面的小電位（稱為肌電位））轉換為電子運動指令。 外骨骼相當輕巧，不含電池時僅重 30 公斤。 它可以支撐體重達 100 公斤的成人。
2016 – 瑞士蘇黎世聯邦理工學院正在舉辦首屆使用輔助機器人為殘疾人士舉辦的 Cybathlon 體育比賽。 其中一個項目是為截癱患者舉辦的障礙賽外骨骼競賽。 在這次技能和技術演示中，外骨骼使用者必須執行諸如坐在沙發上和站起來、在斜坡上行走、踩在岩石上（如穿越淺山河流時）和爬樓梯等任務。 事實證明，沒有人能夠完成所有練習，最快的隊伍花了50多分鐘才完成8公尺障礙賽。 下一次活動將於 2020 年舉行，作為外骨骼技術發展的風向標。
2019 – 在英國林普斯通突擊隊訓練中心的夏季演示中，重力工業公司的發明家兼首席執行官理查德·布朗寧展示了他的Daedalus Mark 1 外骨骼噴氣機套裝，這給軍方留下了深刻的印象，而不僅僅是英國人。 六個小型噴射發動機 - 其中兩個安裝在後面，兩個以附加對的形式安裝在每個手臂上 - 允許您上升到 600 m 的高度。到目前為止，燃料僅夠飛行 10 分鐘...
