Esoscheletri

Anche se ultimamente si è sentito sempre più parlare di esoscheletri, si scopre che la storia di questa invenzione risale al diciannovesimo secolo. Scopri come è cambiato nel corso dei decenni e quali sono state le svolte nella sua evoluzione. 

1. Illustrazione dal brevetto di Nikolai Yagn

1890 – Le prime idee innovative per la creazione di un esoscheletro risalgono al XIX secolo. Nel 1890, Nicholas Yagn brevettò negli Stati Uniti (brevetto n. US 420179 A) "Un dispositivo per facilitare la camminata, la corsa e il salto" (1). Era un'armatura di legno, il cui scopo era aumentare la velocità di un guerriero durante una marcia di molti chilometri. Il design è diventato una fonte di ispirazione per un'ulteriore ricerca della soluzione ottimale.

1961 - Negli anni '60, General Electric, insieme a un gruppo di scienziati dell'Università di Comell, ha iniziato a lavorare alla creazione di una tuta elettroidraulica che supporta l'esercizio umano. La collaborazione con i militari al progetto Man Augmentation ha portato allo sviluppo dell'Hardiman (2). L'obiettivo del progetto era creare una tuta che imitasse i movimenti naturali di un essere umano, permettendogli di sollevare oggetti del peso di quasi 700 kg. Il costume stesso pesava lo stesso, ma il peso tangibile era di soli 20 kg.

2. Scambiatore di calore prototipo General Electric

Nonostante il successo del progetto, si è scoperto che la sua utilità era trascurabile e le copie iniziali sarebbero state costose. Le loro limitate opzioni di mobilità e il complesso sistema di alimentazione alla fine hanno reso questi dispositivi inutilizzabili. Durante i test, si è scoperto che Hardiman può sollevare solo 350 kg e con un uso prolungato tende a movimenti pericolosi e scoordinati. Dall'ulteriore sviluppo del prototipo, è stato abbandonato solo un braccio: il dispositivo pesava circa 250 kg, ma era altrettanto poco pratico del precedente esoscheletro.

Gli anni '70. “A causa delle sue dimensioni, peso, instabilità e problemi di alimentazione, l'Hardiman non è mai entrato in produzione, ma il Man-Mate industriale utilizzava una tecnologia degli anni '60. I diritti sulla tecnologia sono stati acquistati da Western Space and Marine, fondata da uno degli ingegneri GE. Il prodotto è stato ulteriormente sviluppato e oggi esiste sotto forma di un grande braccio robotico in grado di sollevare fino a 4500 kg utilizzando il force feedback, il che lo rende ideale per l'industria siderurgica.

3. Esoscheletri costruiti presso l'Istituto Mihailo Pupin in Serbia.

1972 – I primi esoscheletri attivi e robot umanoidi sono stati sviluppati presso l'Istituto Mihailo Pupin in Serbia da un gruppo guidato dal prof. Miomir Vukobratovich. In primo luogo, sono stati sviluppati sistemi di movimento delle gambe per supportare la riabilitazione delle persone affette da paraplegia (3). Durante lo sviluppo di esoscheletri attivi, l'istituto ha anche sviluppato metodi per analizzare e controllare l'andatura umana. Alcuni di questi progressi hanno contribuito allo sviluppo degli odierni robot umanoidi ad alte prestazioni. Nel 1972, un esoscheletro pneumatico attivo con programmazione elettronica per la paralisi degli arti inferiori è stato testato in una clinica ortopedica a Belgrado.

1985 “Un ingegnere del Los Alamos National Laboratory sta costruendo un esoscheletro chiamato Pitman, un'armatura atomica per fanti. Il controllo del dispositivo si basava su sensori che scansionano la superficie del cranio, collocati in un apposito casco. Date le capacità della tecnologia dell'epoca, era un progetto troppo complesso da produrre. La limitazione era principalmente l'insufficiente potenza di calcolo dei computer. Inoltre, l'elaborazione dei segnali cerebrali e la loro conversione in movimenti dell'esoscheletro rimaneva tecnicamente praticamente impossibile in quel momento.

4. Exoskeleton Lifesuit, disegnato da Monty Reed.

1986 — Monty Reed, soldato dell'esercito americano che si è fratturato la spina dorsale durante il paracadutismo, sviluppa un esoscheletro per la tuta di sopravvivenza (4). È stato ispirato dalle descrizioni delle tute di fanteria mobile nel romanzo di fantascienza di Robert Heinlein Starship Troopers, che ha letto mentre si riprendeva in ospedale. Tuttavia, Reed non ha iniziato a lavorare sul suo dispositivo fino al 2001. Nel 2005, ha testato un prototipo di tuta di salvataggio 4,8 nella gara del giorno di San Patrizio a Seattle, Washington. Lo sviluppatore afferma di aver stabilito un record di velocità di camminata in tute robotiche, coprendo 4 chilometri a una velocità media di 14 km/h. Il prototipo Lifesuit 1,6 è stato in grado di percorrere 92 km a pieno carico e ha permesso di sollevare XNUMX kg.

1990-presente - Il primo prototipo dell'esoscheletro HAL è stato proposto da Yoshiyuki Sankai (5), prof. Università di Tsukuba. Sankai ha trascorso tre anni - dal 1990 al 1993 - a identificare i neuroni che controllano il movimento delle gambe. A lui e al suo team ci sono voluti altri quattro anni per prototipare l'attrezzatura. Il terzo prototipo HAL, sviluppato all'inizio del 22° secolo, era collegato a un computer. La batteria stessa pesava quasi 5 kg, il che la rendeva molto poco pratica. Al contrario, il modello successivo HAL-10 pesava solo 5 kg e aveva la batteria e il computer di controllo avvolti intorno alla vita dell'utente. HAL-XNUMX è attualmente un esoscheletro medico a quattro arti (sebbene sia disponibile anche una versione solo per gli arti inferiori) prodotto dalla società giapponese Cyberdyne Inc. in collaborazione con l'Università di Tsukuba.

5. Il professor Yoshiyuki Sankai presenta uno dei modelli di esoscheletro.

Funziona circa 2 ore e 40 minuti sia all'interno che all'esterno. Aiuta a sollevare oggetti pesanti. La posizione dei comandi e della guida in contenitori all'interno della custodia ha permesso di sbarazzarsi dello "zaino" così caratteristico della maggior parte degli esoscheletri, a volte somigliante a un grosso insetto. Le persone con ipertensione, osteoporosi e qualsiasi condizione cardiaca dovrebbero consultare un medico prima di usare HAL e le controindicazioni includono, ma non sono limitate a, un pacemaker e una gravidanza. Nell'ambito del programma HAL FIT, il produttore offre la possibilità di utilizzare sessioni di trattamento con un esoscheletro sia per le persone malate che per quelle sane. Il designer HAL afferma che le fasi successive dell'aggiornamento si concentreranno sulla creazione di una tuta sottile che consentirà all'utente di muoversi liberamente e persino di correre. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni e il suo team di Ekso Bionics stanno sviluppando un Universal Human Cargo Carrier, o HULC (6) è un esoscheletro wireless con azionamento idraulico. Il suo scopo è aiutare i soldati in guerra a trasportare a lungo carichi fino a 90 kg, con una velocità massima di 16 km/h. Il sistema è stato presentato al pubblico all'AUSA Winter Symposium il 26 febbraio 2009, quando è stato raggiunto un accordo di licenza con Lockheed Martin. Il materiale dominante utilizzato in questo progetto è il titanio, un materiale leggero ma relativamente costoso con elevate proprietà meccaniche e di resistenza.

L'esoscheletro è dotato di ventose che consentono di trasportare oggetti di peso fino a 68 kg (dispositivo di sollevamento). L'alimentazione è fornita da quattro batterie ai polimeri di litio, che garantiscono il normale funzionamento del dispositivo a un carico ottimale fino a 20 ore. L'esoscheletro è stato testato in varie condizioni di combattimento e con vari carichi. Dopo una serie di esperimenti di successo nell'autunno del 2012, è stato inviato in Afghanistan, dove è stato messo alla prova durante un conflitto armato. Nonostante molte recensioni positive, il progetto è stato sospeso. Come si è scoperto, il design rendeva difficile eseguire determinati movimenti e in realtà aumentava il carico sui muscoli, il che contraddiceva l'idea generale della sua creazione.

2001 – È in corso il progetto Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), originariamente destinato principalmente all'esercito. All'interno del suo quadro, sono stati raggiunti risultati promettenti sotto forma di soluzioni autonome di importanza pratica. Prima di tutto è stato creato un dispositivo robotico, attaccato alla parte inferiore del corpo per dare alle gambe una forza extra. L'attrezzatura è stata finanziata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e sviluppata dal Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, una divisione dell'Università della California, Berkeley Mechanical Engineering Department. Il sistema di esoscheletro di Berkeley offre ai soldati la possibilità di trasportare grandi carichi utili con il minimo sforzo e su qualsiasi tipo di terreno, come cibo, attrezzature di soccorso, kit di pronto soccorso, comunicazioni e armi. Oltre alle applicazioni militari, BLEEX sta attualmente sviluppando progetti civili. Il Laboratorio di Robotica e Ingegneria Umana sta attualmente ricercando le seguenti soluzioni: ExoHiker - un esoscheletro progettato principalmente per i membri della spedizione dove c'è la necessità di trasportare attrezzature pesanti, ExoClimber - attrezzature per persone che scalano alte colline, Medical Exoskeleton - un esoscheletro per persone con disabilità capacità fisiche. disturbi della mobilità degli arti inferiori.

8. Prototipo Sarcos XOS 2 in azione

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2010 – Appare XOS 2 (8) è una continuazione dell'esoscheletro XOS di Sarcos. Innanzitutto, il nuovo design è diventato più leggero e affidabile, consentendo di sollevare carichi fino a 90 kg in statico. Il dispositivo assomiglia a un cyborg. Il controllo si basa su trenta attuatori che agiscono come giunti artificiali. L'esoscheletro contiene diversi sensori che trasmettono segnali agli attuatori tramite un computer. In questo modo avviene un funzionamento regolare e continuo e l'utente non avverte alcuno sforzo significativo. Il peso di XOS è di 68 kg.

2011-presente – La Food and Drug Administration (FDA) statunitense approva l'esoscheletro medico ReWalk (9). È un sistema che utilizza elementi di forza per rafforzare le gambe e consente alle persone con paralisi di stare in piedi, camminare e salire le scale. L'energia è fornita da una batteria a zaino. Il controllo avviene tramite un semplice telecomando palmare che rileva e corregge i movimenti dell'utente. Il tutto è stato progettato dall'israeliano Amit Goffer e viene venduto da ReWalk Robotics Ltd (originariamente Argo Medical Technologies) per circa 85 PLN. dollari.

9 persone camminano negli esoscheletri ReWalk

Al momento del rilascio, l'attrezzatura era disponibile in due versioni: ReWalk I e ReWalk P. La prima è utilizzata dalle istituzioni mediche per scopi di ricerca o terapeutici sotto la supervisione di un medico. ReWalk P è destinato all'uso personale da parte dei pazienti a casa o nelle aree pubbliche. Nel gennaio 2013 è stata rilasciata una versione aggiornata di ReWalk Rehabilitation 2.0. Ciò ha migliorato la vestibilità per le persone più alte e ha migliorato il software di controllo. ReWalk richiede all'utente di utilizzare le stampelle. Le malattie cardiovascolari e la fragilità ossea sono citate come controindicazioni. Il limite è anche la crescita, entro 1,6-1,9 m, e il peso corporeo fino a 100 kg. Questo è l'unico esoscheletro in cui puoi guidare un'auto.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 Ekso Bionics, precedentemente noto come Berkeley Bionics, svela il suo esoscheletro medico. Il progetto è iniziato due anni prima con il nome eLEGS (10), ed era destinato alla riabilitazione di persone con vari gradi di paralisi. Come ReWalk, la costruzione richiede l'uso di stampelle. La batteria fornisce energia per almeno sei ore di utilizzo. Il set Exo costa circa 100mila. dollari. In Polonia è noto il progetto dell'esoscheletro Ekso GT, un dispositivo medico progettato per lavorare con pazienti neurologici. Il suo design consente di camminare, comprese le persone dopo ictus, lesioni del midollo spinale, pazienti con sclerosi multipla o con sindrome di Guillain-Barré. L'apparecchiatura può funzionare in diverse modalità, a seconda del grado di disfunzione del paziente.

2013 – Mindwalker, un progetto di esoscheletro controllato dalla mente, riceve finanziamenti dall'Unione Europea. Il design è il risultato di una collaborazione tra gli scienziati della Libera Università di Bruxelles e la Fondazione Santa Lucia in Italia. I ricercatori hanno testato diversi modi per controllare il dispositivo: ritengono che l'interfaccia cervello-neuro-computer (BNCI) funzioni meglio, il che consente di controllarlo con i pensieri. I segnali passano tra il cervello e il computer, bypassando il midollo spinale. Mindwalker converte i segnali EMG, cioè piccoli potenziali (chiamati miopotenziali) che appaiono sulla superficie della pelle di una persona quando i muscoli lavorano, in comandi elettronici di movimento. L'esoscheletro è abbastanza leggero, pesa solo 30 kg senza batterie. Sosterrà un adulto di peso fino a 100 kg.

2016 – L'ETH Technical University di Zurigo, in Svizzera, ospita la prima competizione sportiva di Cybathlon per persone con disabilità che utilizzano robot assistivi. Una delle discipline era la corsa dell'esoscheletro su un percorso ad ostacoli per persone con paralisi degli arti inferiori. In questa dimostrazione di abilità e tecnologia, gli utilizzatori di esoscheletri dovevano svolgere compiti come sedersi su un divano e alzarsi, camminare sui pendii, calpestare le rocce (come quando si attraversa un fiume di montagna poco profondo) e salire le scale. Si è scoperto che nessuno era in grado di padroneggiare tutti gli esercizi e le squadre più veloci hanno impiegato più di 50 minuti per completare il percorso a ostacoli di 8 metri. Il prossimo evento si svolgerà nel 2020 come indicatore dello sviluppo della tecnologia degli esoscheletri.

2019 – Durante le dimostrazioni estive al Commando Training Center di Lympston, nel Regno Unito, Richard Browning, inventore e CEO di Gravity Industries, ha sfoggiato la sua tuta jet esoscheletro Daedalus Mark 1, che ha fatto una grande impressione sui militari, e non solo sugli inglesi. Sei piccoli motori a reazione - due dei quali sono installati nella parte posteriore e due sotto forma di coppie aggiuntive su ciascun braccio - consentono di salire fino a un'altezza di 600 m Finora, il carburante è sufficiente solo per 10 minuti di volo ...