שלדים חיצוניים

למרות שנשמע יותר ויותר על שלדים חיצוניים לאחרונה, מסתבר שההיסטוריה של ההמצאה הזו חוזרת למאה התשע-עשרה. גלה כיצד היא השתנתה במהלך עשרות השנים וכיצד נראו נקודות המפנה באבולוציה שלה. 

1. איור מהפטנט של ניקולאי יגן

1890 – הרעיונות החדשניים הראשונים ליצירת שלד חיצוני מתוארכים למאה ה-1890. בשנת 420179, ניקולס יאן רשם פטנט בארה"ב (פטנט מס' US XNUMX A) "מכשיר להקלה על הליכה, ריצה וקפיצה" (1). זה היה שריון עשוי עץ, שמטרתו להגביר את מהירותו של לוחם במהלך צעדה של קילומטרים רבים. העיצוב הפך למקור השראה להמשך חיפוש אחר הפתרון האופטימלי.

1961 - בשנות ה-60, ג'נרל אלקטריק, יחד עם קבוצת מדענים מאוניברסיטת קומל, החלו לעבוד על יצירת חליפה אלקטרו-הידראולית התומכת בפעילות גופנית אנושית. שיתוף פעולה עם הצבא בפרויקט Man Augmentation הוביל לפיתוח ה-Hardiman (2). מטרת הפרויקט הייתה ליצור חליפה המחקה את התנועות הטבעיות של אדם, המאפשרת לו להרים חפצים במשקל של כמעט 700 ק"ג. התחפושת עצמה שקלה אותו הדבר, אבל המשקל המוחשי עמד על 20 ק"ג בלבד.

2. אב טיפוס מחליף חום של ג'נרל אלקטריק

למרות הצלחת הפרויקט, התברר שהתועלת שלו הייתה זניחה, והעותקים הראשוניים יהיו יקרים. אפשרויות הניידות המוגבלת ומערכת החשמל המורכבת שלהם גרמו בסופו של דבר למכשירים אלה ללא שמיש. במהלך הבדיקה התברר שהרדימן יכול להרים רק 350 ק"ג, ובשימוש ממושך יש לו נטייה לתנועות מסוכנות ולא מתואמות. מפיתוח נוסף של אב הטיפוס, רק זרוע אחת ננטשה - המכשיר שקל כ-250 ק"ג, אך הוא לא היה מעשי בדיוק כמו השלד החיצוני הקודם.

70-s. "בשל גודלו, משקלו, חוסר היציבות ובעיות הכוח שלו, ה-Hardiman מעולם לא נכנס לייצור, אבל ה-Man-Mate התעשייתי השתמש בטכנולוגיה מסוימת משנות ה-60. הזכויות על הטכנולוגיה נקנו על ידי Western Space and Marine, שהוקמה על ידי אחד ממהנדסי GE. המוצר פותח בהמשך וקיים היום בצורת זרוע רובוטית גדולה שיכולה להרים עד 4500 ק"ג באמצעות משוב כוח, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור תעשיית הפלדה.

3. שלדים חיצוניים שנבנו במכון Mihailo Pupin בסרביה.

1972 – שלדים חיצוניים פעילים מוקדמים ורובוטים דמויי אדם פותחו במכון Mihailo Pupin בסרביה על ידי קבוצה בראשות פרופ. מיומר ווקוברטוביץ'. ראשית, פותחו מערכות תנועת רגליים כדי לתמוך בשיקום של אנשים הסובלים משפילים (3). בעת פיתוח שלדים חיצוניים פעילים, פיתח המכון גם שיטות לניתוח ושליטה בהליכה אנושית. חלק מההתקדמות הללו תרמו לפיתוח רובוטים אנושיים בעלי ביצועים גבוהים של ימינו. בשנת 1972 נבדק במרפאה אורטופדית בבלגרד שלד חיצוני פנאומטי פעיל עם תכנות אלקטרוני לשיתוק של הגפיים התחתונות.

1985 "מהנדס במעבדה הלאומית של לוס אלמוס בונה שלד חיצוני שנקרא Pitman, שריון כוח עבור חיילי רגלים. השליטה במכשיר התבססה על חיישנים הסורקים את פני הגולגולת, המונחים בקסדה מיוחדת. בהתחשב ביכולות הטכנולוגיה של אותה תקופה, זה היה עיצוב מורכב מדי לייצור. המגבלה הייתה בעיקר כוח המחשוב הבלתי מספק של מחשבים. בנוסף, עיבוד אותות מוח והמרתם לתנועות שלד חיצוני נותרו כמעט בלתי אפשריים מבחינה טכנית באותה תקופה.

4. חליפת חיים Exoskeleton, בעיצוב מונטי ריד.

1986 - מונטי ריד, חייל צבא ארה"ב ששבר את עמוד השדרה בזמן צניחה חופשית, מפתח שלד חיצוני של חליפת הישרדות (4). הוא קיבל השראה מהתיאורים של חליפות חיל רגלים ניידות ברומן המדע הבדיוני של רוברט היינליין, Starship Troopers, אותו קרא בזמן שהחלים בבית החולים. עם זאת, ריד לא התחיל לעבוד על המכשיר שלו עד 2001. בשנת 2005, הוא בדק אב טיפוס של חליפת הצלה 4,8 במרוץ יום פטריק הקדוש בסיאטל, וושינגטון. היזם טוען כי קבע שיא מהירות הליכה בחליפות רובוט, כשהוא מכסה 4 קילומטרים במהירות ממוצעת של 14 קמ"ש. אב הטיפוס Lifesuit 1,6 הצליח לעבור 92 ק"מ בטעינה מלאה ואפשר להרים XNUMX ק"ג.

1990-הווה - אב הטיפוס הראשון של השלד החיצוני HAL הוצע על ידי Yoshiyuki Sankai (5), פרופ. אוניברסיטת צוקובה. Sankai בילה שלוש שנים - מ-1990 עד 1993 - בזיהוי הנוירונים השולטים בתנועת הרגליים. לקח לו ולצוות שלו עוד ארבע שנים עד שאב-טיפוס של הציוד. אב הטיפוס השלישי של HAL, שפותח בתחילת המאה ה-22, היה מחובר למחשב. הסוללה עצמה שקלה כמעט 5 ק"ג, מה שהפך אותה מאוד לא מעשית. לעומת זאת, הדגם המאוחר HAL-10 שקל רק 5 ק"ג והסוללה ומחשב הבקרה היו כרוכים סביב מותני המשתמש. HAL-XNUMX הוא כיום שלד חיצוני רפואי בעל ארבע גפיים (אם כי זמינה גם גרסה לגפיים תחתונות בלבד) המיוצר על ידי החברה היפנית Cyberdyne Inc. בשיתוף עם אוניברסיטת צוקובה.

5. פרופסור יושיוקי סנקאי מציג את אחד מדגמי השלד החיצוני.

עובד כ-2 שעות 40 דקות הן בפנים והן בחוץ. עוזר להרים חפצים כבדים. מיקום הפקדים והכונן במיכלים בתוך המארז אפשרו להיפטר מה"תרמיל" האופייני כל כך לרוב השלדים החיצוניים, המזכירים לעתים חרק גדול. אנשים עם יתר לחץ דם, אוסטיאופורוזיס וכל מצב לב צריכים להתייעץ עם רופא לפני השימוש ב-HAL, והתוויות נגד כוללות, בין היתר, קוצב לב והריון. כחלק מתוכנית HAL FIT, היצרן מציע אפשרות להשתמש במפגשי טיפול עם שלד חיצוני לאנשים חולים ובריאים כאחד. המעצב של HAL טוען כי השלבים הבאים של השדרוג יתמקדו ביצירת חליפה דקה שתאפשר למשתמש לנוע בחופשיות ואף לרוץ. 

2000 - פרופ' Homayoun Kazeruni והצוות שלו ב-Ekso Bionics מפתחים מטען אנושי אוניברסלי, או HULC (6) הוא שלד חיצוני אלחוטי עם הנעה הידראולית. מטרתו לסייע לחיילים לוחמים לשאת משאות במשקל של עד 90 ק"ג לאורך זמן, במהירות מרבית של 16 קמ"ש. המערכת נחשפה לציבור בסימפוזיון החורף של AUSA ב-26 בפברואר 2009, כאשר הושג הסכם רישוי עם לוקהיד מרטין. החומר השולט בשימוש בעיצוב זה הוא טיטניום, חומר קל משקל אך יקר יחסית עם תכונות מכניות וחוזק גבוהות.

השלד החיצוני מצויד בכוסות יניקה המאפשרות לשאת חפצים במשקל של עד 68 ק"ג (מכשיר הרמה). הכוח מסופק מארבע סוללות ליתיום-פולימר, המבטיחות את פעולתו הרגילה של המכשיר בעומס אופטימלי עד 20 שעות. השלד החיצוני נבדק בתנאי לחימה שונים ועם עומסים שונים. לאחר סדרה של ניסויים מוצלחים בסתיו 2012, הוא נשלח לאפגניסטן, שם נבחן במהלך סכסוך מזוין. למרות ביקורות חיוביות רבות, הפרויקט הוקפא. כפי שהתברר, העיצוב הקשה על ביצוע תנועות מסוימות ולמעשה הגביר את העומס על השרירים, מה שסותר את הרעיון הכללי של יצירתו.

2001 – פרויקט Berkeley Lower Exoskeleton (BLEEX), המיועד במקור בעיקר לצבא, יוצא לדרך. במסגרתו הושגו תוצאות מבטיחות בצורה של פתרונות אוטונומיים בעלי חשיבות מעשית. קודם כל, נוצר מכשיר רובוטי, שהוצמד לפלג הגוף התחתון כדי לתת לרגליים כוח נוסף. הציוד מומן על ידי Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ופותח על ידי מעבדת ברקלי לרובוטיקה והנדסת אנוש, חטיבה של המחלקה להנדסת מכונות באוניברסיטת קליפורניה בברקלי. מערכת השלד החיצוני של ברקלי מעניקה לחיילים את היכולת לשאת מטענים גדולים במינימום מאמץ ועל פני כל סוג של שטח, כגון מזון, ציוד חילוץ, ערכות עזרה ראשונה, תקשורת וכלי נשק. בנוסף ליישומים צבאיים, BLEEX מפתחת כיום פרויקטים אזרחיים. המעבדה לרובוטיקה והנדסת אנוש חוקרת בימים אלה את הפתרונות הבאים: ExoHiker - שלד חיצוני המיועד בעיקר לחברי משלחת בו יש צורך בהובלת ציוד כבד, ExoClimber - ציוד למטפסים על גבעות גבוהות, ExoHiker רפואי - שלד חיצוני לאנשים עם מוגבלות יכולות פיזיות. הפרעות ניידות בגפיים התחתונות.

8. אב טיפוס של Sarcos XOS 2 בפעולה

текст

2010 - XOS 2 מופיע (8) הוא המשך של השלד החיצוני של XOS מבית Sarcos. קודם כל, העיצוב החדש הפך קל ואמין יותר, ומאפשר לך להרים משאות במשקל של עד 90 ק"ג במצב סטטי. המכשיר דומה לסייבורג. הבקרה מבוססת על שלושים מפעילים הפועלים כמו מפרקים מלאכותיים. השלד החיצוני מכיל מספר חיישנים המשדרים אותות למפעילים באמצעות מחשב. כך מתבצעת פעולה חלקה ורציפה, והמשתמש אינו חש במאמץ משמעותי. משקל XOS הוא 68 ק"ג.

2011-הווה - מינהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA) מאשר את השלד החיצוני הרפואי של ReWalk (9). זוהי מערכת המשתמשת במרכיבי כוח לחיזוק הרגליים ומאפשרת לאנשים עם שיתוק לעמוד זקוף, ללכת ולטפס במדרגות. אנרגיה מסופקת על ידי סוללת תרמיל. השליטה מתבצעת באמצעות שלט יד פשוט שמזהה ומתקן את תנועות המשתמש. כל העניין תוכנן על ידי עמית גופר הישראלי ונמכר על ידי ReWalk Robotics Ltd (במקור Argo Medical Technologies) בסביבות 85 PLN. דולרים.

9 אנשים הולכים בשלדים חיצוניים של ReWalk

בזמן השחרור הציוד היה זמין בשתי גרסאות - ReWalk I ו-ReWalk P. הראשונה משמשת מוסדות רפואיים למטרות מחקר או טיפוליות בפיקוח של איש מקצוע רפואי. ReWalk P מיועד לשימוש אישי על ידי מטופלים בבית או בשטחים ציבוריים. בינואר 2013, שוחררה גרסה מעודכנת של ReWalk Rehabilitation 2.0. זה שיפר את ההתאמה לאנשים גבוהים יותר ושיפר את תוכנת הבקרה. ReWalk דורש מהמשתמש להשתמש בקביים. מחלות לב וכלי דם ושבריריות עצם מוזכרות כהתוויות נגד. המגבלה היא גם גדילה, בטווח של 1,6-1,9 מ' ומשקל גוף עד 100 ק"ג. זהו השלד החיצוני היחיד שבו אתה יכול לנהוג במכונית.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, הידועה בעבר בשם Berkeley Bionics, חושפת את השלד החיצוני הרפואי שלה. הפרויקט החל שנתיים קודם לכן תחת השם eLEGS (10), ונועד לשיקום אנשים עם דרגות שונות של שיתוק. כמו ReWalk, הבנייה דורשת שימוש בקביים. הסוללה מספקת אנרגיה לשש שעות שימוש לפחות. סט אקסו עולה כ-100 אלף. דולרים. בפולין ידוע הפרויקט של השלד החיצוני Ekso GT, מכשיר רפואי המיועד לעבודה עם חולים נוירולוגיים. העיצוב שלו מאפשר הליכה, כולל אנשים לאחר שבץ מוחי, פציעות חוט שדרה, חולים עם טרשת נפוצה או עם תסמונת גיליין-בארה. הציוד יכול לפעול במספר מצבים שונים, בהתאם למידת התפקוד לקוי של המטופל.

2013 – Mindwalker, פרויקט שלד חיצוני בשליטה מוחית, מקבל מימון מהאיחוד האירופי. העיצוב הוא תוצאה של שיתוף פעולה בין מדענים מהאוניברסיטה החופשית של בריסל וקרן סנטה לוצ'יה באיטליה. החוקרים בדקו דרכים שונות לשלוט במכשיר - הם מאמינים שממשק המוח-נוירו-מחשב (BNCI) עובד בצורה הטובה ביותר, מה שמאפשר לשלוט בו באמצעות מחשבות. אותות עוברים בין המוח למחשב, עוקפים את חוט השדרה. Mindwalker ממיר אותות EMG, כלומר פוטנציאלים קטנים (הנקראים מיופוטנציאלים) המופיעים על פני העור של אדם כאשר השרירים פועלים, לפקודות תנועה אלקטרוניות. השלד החיצוני קל למדי, שוקל רק 30 ק"ג ללא סוללות. זה יתמוך במבוגר במשקל של עד 100 ק"ג.

2016 – האוניברסיטה הטכנית ETH בציריך, שוויץ, מארחת את תחרות הספורט הראשונה של סיבאתלון לאנשים עם מוגבלות המשתמשים ברובוטים מסייעים. אחד המקצועות היה מרוץ השלד החיצוני במסלול מכשולים לאנשים עם שיתוק בגפיים התחתונות. בהדגמה זו של מיומנויות וטכנולוגיה, משתמשי השלד החיצוני היו צריכים לבצע משימות כמו ישיבה על ספה וקימה, הליכה על מדרונות, דריכה על סלעים (כמו בעת חציית נהר הררי רדוד) וטיפוס במדרגות. התברר שאף אחד לא הצליח לשלוט בכל התרגילים, ולצוותים המהירות ביותר נדרשו יותר מ-50 דקות להשלים את מסלול המכשולים של 8 מטר. האירוע הבא יתקיים בשנת 2020 כאינדיקטור לפיתוח טכנולוגיית השלד החיצוני.

2019 - במהלך הפגנות קיץ במרכז ההדרכה של קומנדו בלימפסטון, בריטניה, הראה ריצ'רד בראונינג, ממציא ומנכ"ל Gravity Industries, את חליפת הסילון החיצונית שלו Daedalus Mark 1, שעשתה רושם עצום על הצבא, ולא רק על הבריטים. שישה מנועי סילון קטנים - שניים מהם מותקנים מאחור ושניים בצורת זוגות נוספים על כל זרוע - מאפשרים לטפס לגובה של עד 600 מ'. עד כה, יש מספיק דלק רק ל-10 דקות של טיסה...