الهياكل الخارجية
على الرغم من سماع المزيد والمزيد عن الهياكل الخارجية مؤخرًا ، فقد اتضح أن تاريخ هذا الاختراع يعود إلى القرن التاسع عشر. اكتشف كيف تغيرت على مدى عقود وكيف بدت نقاط التحول في تطورها.
1. رسم توضيحي من براءة اختراع نيكولاي ياجن
1890 - تعود الأفكار المبتكرة الأولى لإنشاء هيكل خارجي إلى القرن التاسع عشر. في عام 1890 ، حصل نيكولاس ياجن على براءة اختراع في الولايات المتحدة (براءة اختراع رقم US 420179 A) "جهاز لتسهيل المشي والجري والقفز" (1). كان درعًا مصنوعًا من الخشب ، وكان الغرض منه زيادة سرعة المحارب خلال مسيرة عدة كيلومترات. أصبح التصميم مصدر إلهام لمزيد من البحث عن الحل الأمثل.
1961 - في الستينيات ، بدأت شركة جنرال إلكتريك ، جنبًا إلى جنب مع مجموعة من العلماء من جامعة كوميل ، العمل على ابتكار بدلة كهروهيدروليكية تدعم التمارين البشرية. أدى التعاون مع الجيش في مشروع تعزيز الرجل إلى تطوير هاردمان (2). كان الهدف من المشروع هو صنع بدلة تحاكي الحركات الطبيعية للإنسان ، مما يسمح له برفع أشياء تزن حوالي 700 كجم. كان وزن الزي نفسه هو نفسه ، لكن الوزن الملموس كان 20 كجم فقط.
2. النموذج الأولي للمبادل الحراري جنرال إلكتريك
على الرغم من نجاح المشروع ، اتضح أن فائدته كانت ضئيلة ، وأن النسخ الأولية ستكون باهظة الثمن. جعلت خيارات التنقل المحدودة ونظام الطاقة المعقد هذه الأجهزة غير قابلة للاستخدام في النهاية. أثناء الاختبار ، اتضح أن هارديمان يمكنه رفع 350 كجم فقط ، ومع الاستخدام المطول يميل إلى حركات خطيرة وغير منسقة. من التطوير الإضافي للنموذج الأولي ، تم التخلي عن ذراع واحدة فقط - كان وزن الجهاز حوالي 250 كجم ، لكنه كان غير عملي مثل الهيكل الخارجي السابق.
سنوات 70. "نظرًا لحجمها ووزنها وعدم استقرارها ومشاكلها في الطاقة ، لم تدخل هارديمان حيز الإنتاج أبدًا ، لكن مان ماتي الصناعي استخدم بعض التقنيات منذ الستينيات. تم شراء حقوق التكنولوجيا من قبل شركة Western Space and Marine ، التي أسسها أحد مهندسي GE. تم تطوير المنتج بشكل أكبر وهو موجود اليوم على شكل ذراع آلي كبير يمكنه رفع ما يصل إلى 60 كجم باستخدام قوة رد الفعل ، مما يجعله مثاليًا لصناعة الصلب.
3. الهياكل الخارجية التي بنيت في معهد Mihailo Pupin في صربيا.
1972 - تم تطوير الهياكل الخارجية النشطة المبكرة والروبوتات البشرية في معهد Mihailo Pupin في صربيا من قبل مجموعة بقيادة الأستاذ. ميومير فوكوبراتوفيتش. أولاً ، تم تطوير أنظمة حركة الساق لدعم إعادة تأهيل الأشخاص الذين يعانون من الشلل النصفي (3). عند تطوير الهياكل الخارجية النشطة ، طور المعهد أيضًا طرقًا لتحليل مشية الإنسان والتحكم فيها. ساهمت بعض هذه التطورات في تطوير روبوتات الإنسان عالية الأداء اليوم. في عام 1972 ، تم اختبار هيكل خارجي هوائي نشط مزود ببرمجة إلكترونية لشلل الأطراف السفلية في عيادة تقويم العظام في بلغراد.
1985 يقوم مهندس في مختبر لوس ألاموس الوطني ببناء هيكل خارجي يسمى بيتمان ، درع القوة لجنود المشاة. اعتمد التحكم في الجهاز على أجهزة استشعار تقوم بمسح سطح الجمجمة ، موضوعة في خوذة خاصة. نظرًا لقدرات التكنولوجيا في ذلك الوقت ، كان تصميمًا معقدًا للغاية بحيث لا يمكن تصنيعه. كان القيد في المقام الأول هو عدم كفاية قوة الحوسبة لأجهزة الكمبيوتر. بالإضافة إلى ذلك ، ظلت معالجة إشارات الدماغ وتحويلها إلى حركات هيكل خارجي مستحيلة عمليًا من الناحية الفنية في ذلك الوقت.
4. بدلة نجاة الهيكل الخارجي ، صممها مونتي ريد.
1986 - مونتي ريد ، جندي في الجيش الأمريكي أصيب بكسر في العمود الفقري أثناء القفز بالمظلات ، قام بتطوير هيكل خارجي لبذلة النجاة (4). لقد استوحى من أوصاف بدلات المشاة المتنقلة في رواية الخيال العلمي لروبرت هينلين ، Starship Troopers ، التي قرأها أثناء تعافيه في المستشفى. ومع ذلك ، لم يبدأ ريد العمل على جهازه حتى عام 2001. في عام 2005 ، اختبر نموذجًا أوليًا لبدلة الإنقاذ 4,8 في سباق يوم القديس باتريك في سياتل ، واشنطن. يدعي المطور أنه سجل رقمًا قياسيًا لسرعة المشي في بدلات الروبوت ، حيث يغطي 4 كيلومترات بمتوسط سرعة 14 كم / ساعة. كان النموذج الأولي Lifesuit 1,6 قادرًا على قطع مسافة 92 كم مشحونًا بالكامل وسمح له برفع XNUMX كجم.
1990 حتى الآن - أول نموذج أولي للهيكل الخارجي HAL اقترحه يوشيوكي سانكاي (5) ، أ. جامعة تسوكوبا. قضى سانكاي ثلاث سنوات - من 1990 إلى 1993 - في تحديد الخلايا العصبية التي تتحكم في حركة الساق. استغرق الأمر منه هو وفريقه أربع سنوات أخرى لعمل نموذج أولي للمعدات. تم توصيل النموذج الأولي الثالث لـ HAL ، الذي تم تطويره في أوائل القرن الثاني والعشرين ، بجهاز كمبيوتر. تزن البطارية نفسها حوالي 22 كجم ، مما جعلها غير عملية للغاية. في المقابل ، كان الطراز الأحدث HAL-5 يزن 10 كجم فقط وكانت البطارية وكمبيوتر التحكم ملفوفين حول خصر المستخدم. HAL-5 هو حاليًا هيكل خارجي طبي بأربعة أطراف (على الرغم من توفر نسخة للأطراف السفلية فقط) تم تصنيعها بواسطة الشركة اليابانية Cyberdyne Inc. بالتعاون مع جامعة تسوكوبا.
5. يقدم البروفيسور يوشيوكي سانكاي أحد نماذج الهيكل الخارجي.
يعمل لمدة ساعتين و 2 دقيقة تقريبًا في الداخل والخارج. يساعد في رفع الأشياء الثقيلة. جعل موقع أدوات التحكم والقيادة في الحاويات داخل العلبة من الممكن التخلص من "حقيبة الظهر" التي تتميز بها معظم الهياكل الخارجية ، والتي تشبه أحيانًا حشرة كبيرة. يجب على الأشخاص الذين يعانون من ارتفاع ضغط الدم وهشاشة العظام وأي حالة قلبية استشارة الطبيب قبل استخدام HAL ، وتشمل موانع الاستعمال ، على سبيل المثال لا الحصر ، جهاز تنظيم ضربات القلب والحمل. كجزء من برنامج HAL FIT ، تقدم الشركة المصنعة إمكانية استخدام جلسات العلاج بهيكل خارجي لكل من المرضى والأصحاء. يدعي Designer HAL أن المراحل التالية من الترقية ستركز على إنشاء بدلة رفيعة تسمح للمستخدم بالتحرك بحرية وحتى الركض.
2000 - أ. يقوم Homayoun Kazeruni وفريقه في Ekso Bionics بتطوير شركة Universal Human Cargo Carrier ، أو HULC (6) عبارة عن هيكل خارجي لاسلكي مزود بمحرك هيدروليكي. والغرض منه هو مساعدة الجنود المتحاربين على حمل أحمال يصل وزنها إلى 90 كجم لفترة طويلة ، وبسرعة قصوى تبلغ 16 كم / ساعة. تم الكشف عن النظام للجمهور في ندوة AUSA الشتوية في 26 فبراير 2009 ، عندما تم التوصل إلى اتفاقية ترخيص مع شركة Lockheed Martin. المادة السائدة المستخدمة في هذا التصميم هي التيتانيوم ، وهو مادة خفيفة الوزن ولكنها باهظة الثمن نسبيًا مع خصائص ميكانيكية وقوة عالية.
الهيكل الخارجي مجهز بأكواب شفط تسمح لك بحمل أشياء يصل وزنها إلى 68 كجم (جهاز الرفع). يتم توفير الطاقة من أربع بطاريات ليثيوم بوليمر ، والتي تضمن التشغيل العادي للجهاز عند التحميل الأمثل لمدة تصل إلى 20 ساعة. تم اختبار الهيكل الخارجي في ظروف قتالية مختلفة وبأحمال مختلفة. بعد سلسلة من التجارب الناجحة في خريف عام 2012 ، تم إرساله إلى أفغانستان ، حيث تم اختباره خلال نزاع مسلح. على الرغم من العديد من المراجعات الإيجابية ، تم تعليق المشروع. كما اتضح ، جعل التصميم من الصعب أداء حركات معينة وزاد من الحمل الواقع على العضلات ، مما يتعارض مع الفكرة العامة لإنشائها.
2001 - مشروع Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) ، الذي كان مخصصًا في الأساس للجيش ، قيد التنفيذ. وقد تم تحقيق نتائج واعدة في إطارها في شكل حلول مستقلة ذات أهمية عملية. بادئ ذي بدء ، تم إنشاء جهاز آلي متصل بالجزء السفلي من الجسم لإعطاء الساقين قوة إضافية. تم تمويل المعدات من قبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) وطورها مختبر بيركلي للروبوتات والهندسة البشرية ، وهو قسم من جامعة كاليفورنيا ، قسم الهندسة الميكانيكية في بيركلي. يمنح نظام الهيكل الخارجي في بيركلي الجنود القدرة على حمل حمولات كبيرة بأقل جهد وعلى أي نوع من التضاريس ، مثل الطعام ومعدات الإنقاذ ومجموعات الإسعافات الأولية والاتصالات والأسلحة. بالإضافة إلى التطبيقات العسكرية ، تعمل BLEEX حاليًا على تطوير مشاريع مدنية. يبحث مختبر الروبوتات والهندسة البشرية حاليًا عن الحلول التالية: ExoHiker - هيكل خارجي مصمم بشكل أساسي لأعضاء البعثة حيث توجد حاجة لنقل المعدات الثقيلة ، ExoClimber - معدات للأشخاص الذين يتسلقون التلال العالية ، الهيكل الخارجي الطبي - هيكل خارجي للأشخاص ذوي الإعاقة القدرات الجسدية. اضطرابات حركة الأطراف السفلية.
8. النموذج الأولي Sarcos XOS 2 في العمل
النص
2010 - يظهر XOS 2 (8) هو استمرار لهيكل XOS الخارجي من Sarcos. بادئ ذي بدء ، أصبح التصميم الجديد أخف وزنًا وأكثر موثوقية ، مما يسمح لك برفع أحمال يصل وزنها إلى 90 كجم في حالة السكون. الجهاز يشبه سايبورغ. يعتمد التحكم على ثلاثين مشغلًا تعمل مثل المفاصل الاصطناعية. يحتوي الهيكل الخارجي على العديد من أجهزة الاستشعار التي تنقل الإشارات إلى المشغلات عبر الكمبيوتر. بهذه الطريقة ، تتم عملية التشغيل السلس والمستمر ، ولا يشعر المستخدم بأي جهد كبير. وزن XOS 68 كجم.
2011 حتى الآن - وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) على الهيكل الخارجي الطبي ReWalk (9). هو نظام يستخدم عناصر القوة لتقوية الساقين ويسمح للمصابين بالشلل بالوقوف بشكل مستقيم والمشي وصعود السلالم. يتم توفير الطاقة من خلال بطارية حقيبة الظهر. يتم التحكم باستخدام جهاز تحكم عن بعد بسيط محمول باليد يكتشف ويصحح حركات المستخدم. تم تصميم كل شيء بواسطة Amit Goffer من إسرائيل وتباع بواسطة ReWalk Robotics Ltd (في الأصل Argo Medical Technologies) مقابل حوالي 85 زلوتي بولندي. دولار.
9 أشخاص يسيرون في هياكل ReWalk الخارجية
في وقت الإصدار ، كانت المعدات متوفرة في نسختين - ReWalk I و ReWalk P. تستخدم المؤسسات الطبية الأولى للأغراض البحثية أو العلاجية تحت إشراف أخصائي طبي. ReWalk P مخصص للاستخدام الشخصي من قبل المرضى في المنزل أو في الأماكن العامة. في يناير 2013 ، تم إصدار نسخة محدثة من ReWalk ReWalk 2.0. أدى ذلك إلى تحسين الملاءمة للأشخاص الأطول وتحسين برنامج التحكم. يتطلب ReWalk من المستخدم استخدام عكازات. تم ذكر أمراض القلب والأوعية الدموية وهشاشة العظام كموانع. القيد أيضًا هو النمو ، في حدود 1,6-1,9 متر ، ووزن الجسم يصل إلى 100 كجم. هذا هو الهيكل الخارجي الوحيد الذي يمكنك من خلاله قيادة السيارة.
10. ex Bionics eLEGS
2012 كشفت شركة Ekso Bionics ، المعروفة سابقًا باسم Berkeley Bionics ، عن هيكلها الخارجي الطبي. بدأ المشروع قبل عامين تحت اسم eLEGS (10) ، وكان مخصصًا لإعادة تأهيل الأشخاص المصابين بدرجات متفاوتة من الشلل. مثل ReWalk ، يتطلب البناء استخدام عكازات. توفر البطارية الطاقة لمدة ست ساعات على الأقل من الاستخدام. مجموعة Exo تكلف حوالي 100 ألف. دولار. في بولندا ، يُعرف مشروع الهيكل الخارجي Ekso GT ، وهو جهاز طبي مصمم للعمل مع مرضى الأعصاب. يسمح تصميمه بالمشي ، بما في ذلك الأشخاص بعد السكتات الدماغية وإصابات الحبل الشوكي والمرضى الذين يعانون من التصلب المتعدد أو متلازمة غيلان باريه. يمكن للجهاز أن يعمل بعدة أوضاع مختلفة ، اعتمادًا على درجة الخلل الوظيفي للمريض.
2013 - يتلقى Mindwalker ، وهو مشروع هيكل خارجي يتحكم فيه العقل ، تمويلًا من الاتحاد الأوروبي. التصميم هو نتيجة تعاون بين علماء من جامعة بروكسل الحرة ومؤسسة سانتا لوسيا في إيطاليا. اختبر الباحثون طرقًا مختلفة للتحكم في الجهاز - فهم يعتقدون أن واجهة الدماغ والحاسوب العصبي (BNCI) تعمل بشكل أفضل ، مما يسمح لك بالتحكم فيها بالأفكار. تمر الإشارات بين الدماغ والكمبيوتر متجاوزة الحبل الشوكي. يقوم Mindwalker بتحويل إشارات EMG ، أي الإمكانات الصغيرة (تسمى إمكانات عضلية) التي تظهر على سطح جلد الشخص عندما تعمل العضلات ، إلى أوامر حركة إلكترونية. الهيكل الخارجي خفيف للغاية ، ويزن 30 كجم فقط بدون بطاريات. سوف تدعم شخصًا بالغًا يصل وزنه إلى 100 كجم.
2016 - تستضيف الجامعة التقنية ETH في زيورخ ، سويسرا ، أول مسابقة رياضية Cybathlon للأشخاص ذوي الإعاقة باستخدام الروبوتات المساعدة. كان أحد التخصصات هو سباق الهيكل الخارجي في مسار عقبة للأشخاص الذين يعانون من شلل في الأطراف السفلية. في هذا العرض التوضيحي للمهارات والتكنولوجيا ، كان على مستخدمي الهيكل الخارجي أداء مهام مثل الجلوس على الأريكة والنهوض ، والمشي على المنحدرات ، والدوس على الصخور (مثل عبور نهر جبلي ضحل) ، وتسلق السلالم. اتضح أنه لم يتمكّن أحد من إتقان جميع التدريبات ، واستغرقت أسرع الفرق أكثر من 50 دقيقة لإكمال دورة الحواجز التي يبلغ طولها 8 أمتار. سيعقد الحدث التالي في عام 2020 كمؤشر على تطور تكنولوجيا الهيكل الخارجي.
2019 - خلال المظاهرات الصيفية في مركز تدريب الكوماندوز في ليمبستون بالمملكة المتحدة ، عرض ريتشارد براوننج ، المخترع والرئيس التنفيذي لشركة Gravity Industries ، بذلة الطائرة النفاثة Daedalus Mark 1 ذات الهيكل الخارجي ، والتي تركت انطباعًا كبيرًا على الجيش ، وليس فقط البريطانيين. ستة محركات نفاثة صغيرة - اثنان منها مثبتان في الخلف واثنان على شكل أزواج إضافية على كل ذراع - تسمح لك بالصعود إلى ارتفاع يصل إلى 600 متر.حتى الآن ، يوجد وقود يكفي فقط لمدة 10 دقائق من رحلة جوية ...
