โครงกระดูกภายนอก

แม้ว่าจะมีการได้ยินเกี่ยวกับโครงกระดูกภายนอกมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเร็ว ๆ นี้ แต่กลับกลายเป็นว่าประวัติศาสตร์ของการประดิษฐ์นี้ย้อนกลับไปในศตวรรษที่สิบเก้า ค้นหาว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา และจุดเปลี่ยนในการวิวัฒนาการของมันเป็นอย่างไร 

1. ภาพประกอบจากสิทธิบัตรของ Nikolai Yagn

1890 – ความคิดสร้างสรรค์แรกสำหรับการสร้าง exoskeleton ย้อนกลับไปในศตวรรษที่ 1890 ในปี พ.ศ. 420179 Nicholas Yagn ได้จดสิทธิบัตรในสหรัฐอเมริกา (สิทธิบัตรเลขที่ US XNUMX A) "อุปกรณ์สำหรับอำนวยความสะดวกในการเดิน วิ่ง และกระโดด" (1). มันคือชุดเกราะที่ทำจากไม้ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อเพิ่มความเร็วของนักรบในระหว่างการเดินขบวนเป็นระยะทางหลายกิโลเมตร การออกแบบกลายเป็นแรงบันดาลใจในการค้นหาโซลูชันที่เหมาะสมต่อไป

1961 - ในช่วงทศวรรษที่ 60 General Electric ร่วมกับกลุ่มนักวิทยาศาสตร์จาก University of Comell ได้เริ่มทำงานเกี่ยวกับการสร้างชุดอิเล็กโทรดไฮดรอลิกที่รองรับการออกกำลังกายของมนุษย์ การร่วมมือกับกองทัพในโครงการเสริมชายนำไปสู่การพัฒนาของฮาร์ดิแมน (2). เป้าหมายของโครงการคือการสร้างชุดที่เลียนแบบการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของมนุษย์ ทำให้เขาสามารถยกสิ่งของที่มีน้ำหนักเกือบ 700 กก. เครื่องแต่งกายมีน้ำหนักเท่ากัน แต่น้ำหนักที่จับต้องได้เพียง 20 กก.

2. เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต้นแบบ General Electric

แม้ว่าโครงการจะประสบความสำเร็จ แต่กลับกลายเป็นว่ามีประโยชน์เพียงเล็กน้อย และสำเนาเริ่มต้นจะมีราคาแพง ตัวเลือกการเคลื่อนไหวที่จำกัดและระบบไฟฟ้าที่ซับซ้อนทำให้อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ไม่ได้ในที่สุด ในระหว่างการทดสอบ ปรากฎว่า Hardiman สามารถยกได้เพียง 350 กก. และด้วยการใช้งานเป็นเวลานานมีแนวโน้มที่จะเกิดอันตรายและไม่พร้อมเพรียงกัน จากการพัฒนาต้นแบบต่อไป แขนข้างหนึ่งถูกละทิ้ง - อุปกรณ์ดังกล่าวมีน้ำหนักประมาณ 250 กก. แต่ใช้งานไม่ได้เหมือนกับโครงกระดูกภายนอกรุ่นก่อน

ทศวรรษที่ 70 “เนื่องจากขนาด น้ำหนัก ความไม่เสถียร และปัญหาด้านพลังงาน Hardiman จึงไม่เคยเข้าสู่การผลิต แต่ Man-Mate ระดับอุตสาหกรรมใช้เทคโนโลยีบางอย่างจากยุค 60 สิทธิ์ในเทคโนโลยีถูกซื้อโดย Western Space and Marine ซึ่งก่อตั้งโดยหนึ่งในวิศวกรของ GE ผลิตภัณฑ์ได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมและในปัจจุบันมีอยู่ในรูปแบบของแขนกลขนาดใหญ่ที่สามารถยกได้ถึง 4500 กก. โดยใช้แรงป้อนกลับ ทำให้เหมาะสำหรับอุตสาหกรรมเหล็กกล้า

3. Exoskeletons สร้างขึ้นที่ Mihailo Pupin Institute ในเซอร์เบีย

1972 – โครงกระดูกภายนอกและหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่ใช้งานในช่วงแรกได้รับการพัฒนาที่สถาบัน Mihailo Pupin ในเซอร์เบียโดยกลุ่มที่นำโดยศาสตราจารย์ มิโอเมียร์ วูโคบราตอวิช ประการแรก ระบบการเคลื่อนไหวขาได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับการฟื้นฟูผู้ป่วยจากโรคอัมพาตขา (3). ในการพัฒนา exoskeletons ที่แอ็คทีฟ สถาบันยังได้พัฒนาวิธีการวิเคราะห์และควบคุมการเดินของมนุษย์ ความก้าวหน้าเหล่านี้บางส่วนมีส่วนในการพัฒนาหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ที่มีประสิทธิภาพสูงในปัจจุบัน ในปีพ.ศ. 1972 ได้มีการทดสอบโครงกระดูกภายนอกแบบใช้ลมพร้อมโปรแกรมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับอัมพาตของแขนขาที่ต่ำกว่าได้รับการทดสอบในคลินิกกระดูกและข้อในเบลเกรด

1985 “วิศวกรของ Los Alamos National Laboratory กำลังสร้างโครงกระดูกภายนอกที่เรียกว่า Pitman ซึ่งเป็นเกราะพลังสำหรับทหารราบ การควบคุมอุปกรณ์นั้นขึ้นอยู่กับเซ็นเซอร์ที่สแกนพื้นผิวของกะโหลกศีรษะซึ่งวางอยู่ในหมวกกันน็อคแบบพิเศษ ด้วยความสามารถของเทคโนโลยีในสมัยนั้น การออกแบบที่ซับซ้อนเกินกว่าจะผลิตได้ ข้อจำกัดหลักๆ คือ พลังการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ไม่เพียงพอ นอกจากนี้ การประมวลผลสัญญาณสมองและแปลงเป็นการเคลื่อนไหวของโครงกระดูกภายนอกยังคงเป็นไปไม่ได้ในทางเทคนิคในขณะนั้น

4. ชุดชูชีพ Exoskeleton ออกแบบโดย Monty Reed

1986 — มอนตี รีด ทหารกองทัพสหรัฐที่กระดูกสันหลังหักขณะกระโดดร่ม พัฒนาชุดเอาชีวิตรอด (4). เขาได้รับแรงบันดาลใจจากคำอธิบายของชุดทหารราบเคลื่อนที่ในนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง Starship Troopers ของโรเบิร์ต ไฮน์ไลน์ ซึ่งเขาอ่านขณะพักฟื้นในโรงพยาบาล อย่างไรก็ตาม รีดไม่ได้เริ่มทำงานบนอุปกรณ์ของเขาจนถึงปี 2001 ในปี 2005 เขาได้ทดสอบชุดกู้ภัยต้นแบบ 4,8 ในการแข่งขันวันเซนต์แพทริกในซีแอตเทิล รัฐวอชิงตัน นักพัฒนาอ้างว่าได้สร้างสถิติความเร็วในการเดินในชุดหุ่นยนต์ซึ่งครอบคลุม 4 กิโลเมตรด้วยความเร็วเฉลี่ย 14 กม. / ชม. เครื่องต้นแบบ Lifesuit 1,6 สามารถวิ่งได้ 92 กม. โดยชาร์จเต็มและอนุญาตให้ยกได้ XNUMX กก.

1990-ปัจจุบัน - ต้นแบบแรกของ HAL exoskeleton ถูกเสนอโดย Yoshiyuki Sankai (5) ศ. มหาวิทยาลัยสึคุบะ. ซังไคใช้เวลาสามปีระหว่างปี 1990 ถึง 1993 ในการระบุเซลล์ประสาทที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของขา เขาและทีมต้องใช้เวลาอีกสี่ปีในการสร้างต้นแบบอุปกรณ์ ต้นแบบ HAL ที่สามซึ่งพัฒนาขึ้นในต้นศตวรรษที่ 22 เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ ตัวแบตเตอรี่เองมีน้ำหนักเกือบ 5 กก. ซึ่งทำให้ใช้งานไม่ได้มาก ในทางตรงกันข้าม รุ่นต่อมา HAL-10 มีน้ำหนักเพียง 5 กก. และมีแบตเตอรี่และคอมพิวเตอร์ควบคุมพันรอบเอวของผู้ใช้ ปัจจุบัน HAL-XNUMX เป็นโครงกระดูกภายนอกทางการแพทย์สี่ขา (แม้ว่าจะมีรุ่นที่ต่ำกว่าเท่านั้น) ที่ผลิตโดยบริษัท Cyberdyne Inc. ของญี่ปุ่น ร่วมกับมหาวิทยาลัย Tsukuba

5. ศาสตราจารย์ Yoshiyuki Sankai นำเสนอหนึ่งในโมเดลโครงกระดูกภายนอก

ใช้งานได้ประมาณ 2 ชั่วโมง 40 นาที ทั้งในร่มและกลางแจ้ง ช่วยยกของหนัก ตำแหน่งของตัวควบคุมและไดรฟ์ในคอนเทนเนอร์ภายในเคสทำให้สามารถกำจัด "กระเป๋าเป้สะพายหลัง" ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของโครงกระดูกภายนอกส่วนใหญ่ ซึ่งบางครั้งก็ดูเหมือนแมลงขนาดใหญ่ ผู้ที่เป็นโรคความดันโลหิตสูง โรคกระดูกพรุน และภาวะหัวใจใดๆ ควรปรึกษาแพทย์ก่อนใช้ HAL และข้อห้ามรวมถึงแต่ไม่จำกัดเฉพาะเครื่องกระตุ้นหัวใจและการตั้งครรภ์ ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของโปรแกรม HAL FIT ผู้ผลิตเสนอความเป็นไปได้ในการใช้เซสชั่นการรักษากับโครงกระดูกภายนอกสำหรับทั้งผู้ป่วยและผู้ที่มีสุขภาพดี นักออกแบบของ HAL อ้างว่าในขั้นต่อไปของการอัพเกรดจะเน้นที่การสร้างชุดสูทแบบบางที่ช่วยให้ผู้ใช้เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระและแม้กระทั่งวิ่ง 

2000 - ศ. Homayoun Kazeruni และทีมงานของเขาที่ Ekso Bionics กำลังพัฒนา Universal Human Cargo Carrier หรือ HULC (6) เป็นโครงกระดูกภายนอกแบบไร้สายพร้อมไดรฟ์ไฮดรอลิก โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อช่วยทหารที่ทำสงครามบรรทุกสิ่งของที่มีน้ำหนักมากถึง 90 กก. เป็นเวลานานด้วยความเร็วสูงสุด 16 กม. / ชม. ระบบดังกล่าวได้รับการเปิดเผยต่อสาธารณชนที่งาน AUSA Winter Symposium เมื่อวันที่ 26 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2009 เมื่อ Lockheed Martin บรรลุข้อตกลงด้านลิขสิทธิ์ วัสดุหลักที่ใช้ในการออกแบบนี้คือไททาเนียม ซึ่งเป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบาแต่มีราคาค่อนข้างแพงพร้อมคุณสมบัติทางกลและความแข็งแรงสูง

โครงกระดูกภายนอกมาพร้อมกับถ้วยดูดที่ให้คุณบรรทุกสิ่งของที่มีน้ำหนักมากถึง 68 กก. (อุปกรณ์ยก) ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์สี่ก้อน ซึ่งรับประกันการทำงานปกติของอุปกรณ์ที่โหลดที่เหมาะสมสูงสุด 20 ชั่วโมง โครงกระดูกภายนอกได้รับการทดสอบในสภาพการต่อสู้ที่หลากหลายและด้วยน้ำหนักบรรทุกที่หลากหลาย หลังจากการทดลองที่ประสบความสำเร็จหลายครั้งในฤดูใบไม้ร่วงปี 2012 เขาถูกส่งไปยังอัฟกานิสถาน ซึ่งเขาได้รับการทดสอบระหว่างการสู้รบด้วยอาวุธ แม้จะมีบทวิจารณ์ในเชิงบวกมากมาย แต่โครงการก็ถูกระงับ เมื่อมันปรากฏออกมา การออกแบบทำให้การเคลื่อนไหวบางอย่างทำได้ยากและเพิ่มภาระให้กับกล้ามเนื้อจริง ๆ ซึ่งขัดแย้งกับแนวคิดทั่วไปของการสร้างมัน

2001 – โครงการ Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) ซึ่งแต่เดิมมีไว้สำหรับกองทัพเป็นหลัก กำลังดำเนินการอยู่ ภายในกรอบการทำงาน ผลลัพธ์ที่คาดหวังได้บรรลุผลสำเร็จในรูปแบบของโซลูชันอัตโนมัติที่มีความสำคัญในทางปฏิบัติ ประการแรก มีการสร้างอุปกรณ์หุ่นยนต์โดยติดกับร่างกายส่วนล่างเพื่อให้ขาแข็งแรงเป็นพิเศษ อุปกรณ์ดังกล่าวได้รับทุนสนับสนุนจากสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงกลาโหม (DARPA) และพัฒนาโดย Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory ซึ่งเป็นแผนกหนึ่งของ University of California, Berkeley Mechanical Engineering Department ระบบโครงกระดูกภายนอกของ Berkeley ช่วยให้ทหารสามารถบรรทุกน้ำหนักบรรทุกขนาดใหญ่โดยใช้ความพยายามเพียงเล็กน้อยและผ่านภูมิประเทศทุกประเภท เช่น อาหาร อุปกรณ์กู้ภัย ชุดปฐมพยาบาล การสื่อสาร และอาวุธ นอกเหนือจากการใช้งานทางทหารแล้ว BLEEX กำลังพัฒนาโครงการพลเรือน ขณะนี้ห้องปฏิบัติการวิทยาการหุ่นยนต์และวิศวกรรมมนุษย์กำลังตรวจสอบโซลูชันต่อไปนี้: ExoHiker - โครงกระดูกภายนอกที่ออกแบบมาสำหรับสมาชิกคณะสำรวจที่มีความจำเป็นในการขนส่งอุปกรณ์หนักเป็นหลัก ExoClimber - อุปกรณ์สำหรับผู้ที่ปีนเนินเขาสูง Medical Exoskeleton - โครงกระดูกภายนอกสำหรับผู้ทุพพลภาพ ความสามารถทางกายภาพ ความผิดปกติของการเคลื่อนไหวของรยางค์ล่าง

8. ต้นแบบ Sarcos XOS 2 ในการดำเนินการ

ข้อความ

2010 – XOS 2 ปรากฏขึ้น (8) เป็นความต่อเนื่องของโครงกระดูกภายนอก XOS จาก Sarcos ประการแรก การออกแบบใหม่นั้นเบาลงและเชื่อถือได้มากขึ้น ช่วยให้คุณยกของที่มีน้ำหนักได้ถึง 90 กก. แบบคงที่ อุปกรณ์มีลักษณะคล้ายหุ่นยนต์ การควบคุมนั้นใช้แอคทูเอเตอร์สามสิบตัวที่ทำหน้าที่เหมือนข้อต่อเทียม โครงกระดูกภายนอกประกอบด้วยเซ็นเซอร์หลายตัวที่ส่งสัญญาณไปยังแอคทูเอเตอร์ผ่านคอมพิวเตอร์ ด้วยวิธีนี้ การทำงานที่ราบรื่นและต่อเนื่องจึงเกิดขึ้น และผู้ใช้ไม่รู้สึกถึงความพยายามใดๆ ที่สำคัญ น้ำหนัก XOS 68 กก.

2011-ปัจจุบัน – สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (FDA) อนุมัติโครงร่างภายนอกทางการแพทย์ ReWalk (9). เป็นระบบที่ใช้องค์ประกอบความแข็งแรงในการเสริมสร้างขาและช่วยให้ผู้ที่เป็นอัมพาตสามารถยืนตัวตรงเดินและขึ้นบันไดได้ พลังงานมาจากแบตเตอรี่แบบสะพายหลัง การควบคุมดำเนินการโดยใช้รีโมทคอนโทรลแบบใช้มือถือที่ตรวจจับและแก้ไขการเคลื่อนไหวของผู้ใช้ สิ่งทั้งหมดได้รับการออกแบบโดย Amit Goffer แห่งอิสราเอล และจำหน่ายโดย ReWalk Robotics Ltd (แต่เดิมคือ Argo Medical Technologies) ในราคาประมาณ 85 PLN ดอลลาร์

9 คนเดินใน ReWalk Exoskeletons

ในช่วงเวลาของการเปิดตัว อุปกรณ์มีจำหน่ายในสองรุ่น - ReWalk I และ ReWalk P. รุ่นแรกถูกใช้โดยสถาบันทางการแพทย์เพื่อการวิจัยหรือเพื่อวัตถุประสงค์ในการรักษาภายใต้การดูแลของผู้เชี่ยวชาญทางการแพทย์ ReWalk P มีไว้สำหรับใช้ส่วนตัวโดยผู้ป่วยที่บ้านหรือในที่สาธารณะ ในเดือนมกราคม 2013 ReWalk Rehabilitation 2.0 เวอร์ชันที่อัปเดตได้รับการเผยแพร่ สิ่งนี้ปรับปรุงความพอดีสำหรับคนตัวสูงและปรับปรุงซอฟต์แวร์ควบคุม ReWalk กำหนดให้ผู้ใช้ใช้ไม้ค้ำยัน โรคหัวใจและหลอดเลือดและความเปราะบางของกระดูกถือเป็นข้อห้าม ข้อจำกัดคือการเจริญเติบโตในระยะ 1,6-1,9 ม. และน้ำหนักตัวสูงถึง 100 กก. นี่เป็นโครงกระดูกภายนอกเพียงตัวเดียวที่คุณสามารถขับรถได้

10. อดีตไบโอนิค eLEGS

2012 Ekso Bionics หรือเดิมชื่อ Berkeley Bionics เปิดตัวโครงกระดูกภายนอกทางการแพทย์ โครงการเริ่มต้นเมื่อสองปีก่อนภายใต้ชื่อ eLEGS (10) และมีไว้สำหรับการฟื้นฟูสมรรถภาพของผู้ที่มีความเป็นอัมพาตในระดับต่างๆ เช่นเดียวกับ ReWalk การก่อสร้างต้องใช้ไม้ค้ำยัน แบตเตอรี่ให้พลังงานในการใช้งานอย่างน้อยหกชั่วโมง ชุด Exo ราคาประมาณ 100 ดอลลาร์ ในโปแลนด์ เป็นที่ทราบกันดีว่าโครงการโครงกระดูกภายนอก Ekso GT ซึ่งเป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ออกแบบมาเพื่อทำงานร่วมกับผู้ป่วยทางระบบประสาท การออกแบบช่วยให้เดินได้ ซึ่งรวมถึงผู้คนหลังจากโรคหลอดเลือดสมอง อาการบาดเจ็บที่ไขสันหลัง ผู้ป่วยโรคปลอกประสาทเสื่อมแข็ง หรือกลุ่มอาการกิลแลง-บาร์เร อุปกรณ์สามารถทำงานได้ในโหมดต่างๆ มากมาย ขึ้นอยู่กับระดับความผิดปกติของผู้ป่วย

2013 – Mindwalker โครงการ exoskeleton ที่ควบคุมด้วยจิตใจ ได้รับทุนสนับสนุนจากสหภาพยุโรป การออกแบบเป็นผลมาจากความร่วมมือระหว่างนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอิสระแห่งบรัสเซลส์และมูลนิธิซานตาลูเซียในอิตาลี นักวิจัยได้ทดสอบวิธีต่างๆ ในการควบคุมอุปกรณ์ พวกเขาเชื่อว่าสมอง-ประสาท-คอมพิวเตอร์อินเทอร์เฟซ (BNCI) ทำงานได้ดีที่สุด ซึ่งช่วยให้คุณควบคุมมันได้ด้วยความคิด สัญญาณส่งผ่านระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์โดยผ่านไขสันหลัง Mindwalker แปลงสัญญาณ EMG ซึ่งก็คือศักย์ไฟฟ้าขนาดเล็ก (เรียกว่า myopotentials) ที่ปรากฏบนพื้นผิวของผิวหนังเมื่อกล้ามเนื้อทำงาน เป็นคำสั่งการเคลื่อนไหวทางอิเล็กทรอนิกส์ โครงกระดูกภายนอกค่อนข้างเบา หนักเพียง 30 กก. ไม่รวมแบตเตอรี่ รองรับผู้ใหญ่ที่มีน้ำหนักไม่เกิน 100 กก.

2016 – มหาวิทยาลัยเทคนิค ETH ในเมืองซูริก ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ เป็นเจ้าภาพจัดการแข่งขันกีฬา Cybathlon สำหรับผู้พิการโดยใช้หุ่นยนต์ช่วยเหลือเป็นครั้งแรก หนึ่งในสาขาวิชาคือการแข่งขันโครงกระดูกภายนอกบนเส้นทางสิ่งกีดขวางสำหรับผู้ที่เป็นอัมพาตของแขนขาส่วนล่าง ในการสาธิตทักษะและเทคโนโลยีนี้ ผู้ใช้ exoskeleton ต้องทำงานต่างๆ เช่น นั่งบนโซฟาและลุกขึ้น เดินบนทางลาด เหยียบหิน (เช่น เมื่อข้ามแม่น้ำตื้นบนภูเขา) และปีนบันได ปรากฎว่าไม่มีใครสามารถฝึกฝนแบบฝึกหัดทั้งหมดได้ และทีมที่เร็วที่สุดใช้เวลามากกว่า 50 นาทีในการผ่านอุปสรรค 8 เมตร งานครั้งต่อไปจะเกิดขึ้นในปี 2020 เพื่อเป็นตัวบ่งชี้การพัฒนาเทคโนโลยี exoskeleton

2019 – ระหว่างการสาธิตภาคฤดูร้อนที่ Commando Training Center ใน Lympston สหราชอาณาจักร Richard Browning นักประดิษฐ์และ CEO ของ Gravity Industries ได้อวดชุดเจ็ตสูท Daedalus Mark 1 exoskeleton ของเขา ซึ่งสร้างความประทับใจอย่างมากให้กับกองทัพ ไม่ใช่แค่ชาวอังกฤษเท่านั้น เครื่องยนต์ไอพ่นขนาดเล็กหกเครื่อง - สองเครื่องติดตั้งที่ด้านหลังและอีกสองเครื่องในรูปแบบของคู่เพิ่มเติมที่แขนแต่ละข้าง - ช่วยให้คุณปีนขึ้นไปได้สูงถึง 600 ม. จนถึงตอนนี้มีเชื้อเพลิงเพียงพอสำหรับ 10 นาทีเท่านั้น เที่ยวบิน ...