Exoesqueletos

Embora cada vez mais se tenha ouvido falar sobre exoesqueletos ultimamente, verifica-se que a história dessa invenção remonta ao século XIX. Descubra como ele mudou ao longo das décadas e quais foram os pontos de virada em sua evolução. 

1. Ilustração da patente de Nikolai Yagn

1890 – As primeiras ideias inovadoras para a criação de um exoesqueleto datam do século XIX. Em 1890, Nicholas Yagn patenteou nos Estados Unidos (patente nº US 420179 A) "Um dispositivo para facilitar a caminhada, corrida e salto" (1). Era uma armadura feita de madeira, cujo objetivo era aumentar a velocidade de um guerreiro durante uma marcha de muitos quilômetros. O design tornou-se uma fonte de inspiração para a busca da solução ideal.

1961 - Na década de 60, a General Electric, juntamente com um grupo de cientistas da Universidade de Comell, começou a trabalhar na criação de um traje eletro-hidráulico que suporta o exercício humano. A colaboração com os militares no projeto Man Augmentation levou ao desenvolvimento do Hardiman (2). O objetivo do projeto era criar um traje que imitasse os movimentos naturais de um ser humano, permitindo que ele levantasse objetos pesando quase 700 kg. O traje em si pesava o mesmo, mas o peso tangível era de apenas 20 kg.

2. Protótipo de trocador de calor da General Electric

Apesar do sucesso do projeto, descobriu-se que sua utilidade era insignificante e as cópias iniciais seriam caras. Suas opções de mobilidade limitada e sistema de energia complexo acabaram tornando esses dispositivos inutilizáveis. Durante os testes, descobriu-se que Hardiman só pode levantar 350 kg e, com uso prolongado, tende a movimentos perigosos e descoordenados. A partir do desenvolvimento do protótipo, apenas um braço foi abandonado - o dispositivo pesava cerca de 250 kg, mas era tão impraticável quanto o exoesqueleto anterior.

Anos 70. “Devido ao seu tamanho, peso, instabilidade e problemas de energia, o Hardiman nunca entrou em produção, mas o Man-Mate industrial usou alguma tecnologia dos anos 60. Os direitos da tecnologia foram comprados pela Western Space and Marine, fundada por um dos engenheiros da GE. O produto foi desenvolvido e hoje existe na forma de um grande braço robótico que pode levantar até 4500 kg usando realimentação de força, tornando-o ideal para a indústria siderúrgica.

3. Exoesqueletos construídos no Instituto Mihailo Pupin na Sérvia.

1972 – Os primeiros exoesqueletos ativos e robôs humanóides foram desenvolvidos no Instituto Mihailo Pupin, na Sérvia, por um grupo liderado pelo prof. Miomir Vukobratovich. Primeiro, os sistemas de movimento das pernas foram desenvolvidos para apoiar a reabilitação de pessoas que sofrem de paraplegia.3). Ao desenvolver exoesqueletos ativos, o instituto também desenvolveu métodos para analisar e controlar a marcha humana. Alguns desses avanços contribuíram para o desenvolvimento dos robôs humanóides de alto desempenho de hoje. Em 1972, um exoesqueleto pneumático ativo com programação eletrônica para paralisia das extremidades inferiores foi testado em uma clínica ortopédica em Belgrado.

1985 “Um engenheiro do Los Alamos National Laboratory está construindo um exoesqueleto chamado Pitman, power armor para soldados de infantaria. O controle do aparelho era baseado em sensores que escaneiam a superfície do crânio, colocados em um capacete especial. Dadas as capacidades da tecnologia da época, era um projeto muito complexo para fabricar. A limitação era principalmente o poder computacional insuficiente dos computadores. Além disso, processar sinais cerebrais e convertê-los em movimentos de exoesqueleto permanecia tecnicamente praticamente impossível naquela época.

4. Lifesuit Exoskeleton, desenhado por Monty Reed.

1986 — Monty Reed, soldado do Exército dos EUA que fraturou a coluna enquanto saltava de paraquedas, desenvolve um exoesqueleto de traje de sobrevivência (4). Ele foi inspirado pelas descrições de trajes de infantaria móvel no romance de ficção científica de Robert Heinlein, Starship Troopers, que ele leu enquanto se recuperava no hospital. No entanto, Reed não começou a trabalhar em seu dispositivo até 2001. Em 2005, ele testou um protótipo de traje de resgate 4,8 na corrida do Dia de São Patrício em Seattle, Washington. O desenvolvedor afirma ter estabelecido um recorde de velocidade de caminhada em trajes robóticos, percorrendo 4 quilômetros a uma velocidade média de 14 km/h. O protótipo Lifesuit 1,6 foi capaz de percorrer 92 km totalmente carregado e levantar XNUMX kg.

Presente de 1990 - O primeiro protótipo do exoesqueleto HAL foi proposto por Yoshiyuki Sankai (5), prof. Universidade de Tsukuba. Sankai passou três anos - de 1990 a 1993 - identificando os neurônios que controlam o movimento das pernas. Ele e sua equipe levaram mais quatro anos para prototipar o equipamento. O terceiro protótipo HAL, desenvolvido no início do século 22, foi conectado a um computador. A bateria em si pesava quase 5 kg, o que a tornava muito impraticável. Em contraste, o modelo posterior HAL-10 pesava apenas 5 kg e tinha a bateria e o computador de controle enrolados na cintura do usuário. HAL-XNUMX é atualmente um exoesqueleto médico de quatro membros (embora uma versão apenas de membros inferiores também esteja disponível) fabricado pela empresa japonesa Cyberdyne Inc. em colaboração com a Universidade de Tsukuba.

5. O professor Yoshiyuki Sankai apresenta um dos modelos de exoesqueleto.

Funciona aproximadamente 2 horas e 40 minutos em ambientes internos e externos. Ajuda a levantar objetos pesados. A localização dos controles e a movimentação em contêineres dentro do gabinete possibilitaram livrar-se da “mochila” tão característica da maioria dos exoesqueletos, às vezes lembrando um grande inseto. Pessoas com hipertensão, osteoporose e qualquer problema cardíaco devem consultar um médico antes de usar HAL, e as contra-indicações incluem, mas não se limitam a, marca-passo e gravidez. Como parte do programa HAL FIT, o fabricante oferece a possibilidade de usar sessões de tratamento com um exoesqueleto para pessoas doentes e saudáveis. O designer HAL afirma que os próximos estágios da atualização se concentrarão na criação de um traje fino que permitirá ao usuário se mover livremente e até mesmo correr. 

2000 - prof. Homayoun Kazeruni e sua equipe na Ekso Bionics estão desenvolvendo um Universal Human Cargo Carrier, ou HULC (6) é um exoesqueleto sem fio com acionamento hidráulico. Seu objetivo é ajudar os soldados em guerra a transportar cargas de até 90 kg por um longo tempo, com velocidade máxima de 16 km / h. O sistema foi revelado ao público no AUSA Winter Symposium em 26 de fevereiro de 2009, quando um acordo de licenciamento foi alcançado com a Lockheed Martin. O material dominante usado neste projeto é o titânio, um material leve, mas relativamente caro, com altas propriedades mecânicas e de resistência.

O exoesqueleto está equipado com ventosas que permitem transportar objetos com peso até 68 kg (dispositivo de elevação). A energia é fornecida a partir de quatro baterias de polímero de lítio, que garantem o funcionamento normal do dispositivo com carga ideal até 20 horas. O exoesqueleto foi testado em várias condições de combate e com diversas cargas. Após uma série de experimentos bem-sucedidos no outono de 2012, ele foi enviado ao Afeganistão, onde foi testado durante um conflito armado. Apesar de muitas críticas positivas, o projeto foi colocado em espera. Como se viu, o design dificultou a realização de certos movimentos e, na verdade, aumentou a carga sobre os músculos, o que contrariava a ideia geral de sua criação.

2001 – O projeto Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), originalmente destinado principalmente ao exército, está em andamento. Dentro de sua estrutura, resultados promissores foram alcançados na forma de soluções autônomas de importância prática. Em primeiro lugar, foi criado um dispositivo robótico, preso à parte inferior do corpo para dar força extra às pernas. O equipamento foi financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e desenvolvido pelo Laboratório de Robótica e Engenharia Humana de Berkeley, uma divisão do Departamento de Engenharia Mecânica de Berkeley, na Universidade da Califórnia. O sistema de exoesqueleto Berkeley dá aos soldados a capacidade de transportar grandes cargas com o mínimo de esforço e sobre qualquer tipo de terreno, como alimentos, equipamentos de resgate, kits de primeiros socorros, comunicações e armas. Além de aplicações militares, a BLEEX está atualmente desenvolvendo projetos civis. O Laboratório de Robótica e Engenharia Humana está atualmente a pesquisar as seguintes soluções: ExoHiker - um exoesqueleto concebido principalmente para membros da expedição onde há necessidade de transportar equipamento pesado, ExoClimber - equipamento para pessoas que sobem grandes colinas, Exoesqueleto Médico - um exoesqueleto para pessoas com deficiência capacidades físicas. distúrbios da mobilidade dos membros inferiores.

8. Protótipo Sarcos XOS 2 em ação

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2010 – XOS 2 aparece (8) é uma continuação do exoesqueleto XOS de Sarcos. Em primeiro lugar, o novo design tornou-se mais leve e fiável, permitindo-lhe levantar cargas até 90 kg em estado estático. O dispositivo se assemelha a um ciborgue. O controle é baseado em trinta atuadores que atuam como articulações artificiais. O exoesqueleto contém vários sensores que transmitem sinais para os atuadores por meio de um computador. Desta forma, ocorre uma operação suave e contínua, e o usuário não sente nenhum esforço significativo. O peso do XOS é de 68 kg.

Presente de 2011 – A Food and Drug Administration (FDA) dos EUA aprova o exoesqueleto médico ReWalk (9). É um sistema que usa elementos de força para fortalecer as pernas e permite que pessoas com paralisia fiquem em pé, andem e subam escadas. A energia é fornecida por uma bateria de mochila. O controle é feito por meio de um simples controle remoto portátil que detecta e corrige os movimentos do usuário. A coisa toda foi projetada por Amit Goffer de Israel e está sendo vendida pela ReWalk Robotics Ltd (originalmente Argo Medical Technologies) por cerca de PLN 85. dólares.

9 pessoas andam em exoesqueletos ReWalk

Na época do lançamento, o equipamento estava disponível em duas versões - ReWalk I e ReWalk P. A primeira é utilizada por instituições médicas para fins de pesquisa ou terapêuticos sob a supervisão de um profissional médico. ReWalk P destina-se ao uso pessoal de pacientes em casa ou em áreas públicas. Em janeiro de 2013, foi lançada uma versão atualizada do ReWalk Rehabilitation 2.0. Isso melhorou o ajuste para pessoas mais altas e melhorou o software de controle. ReWalk exige que o usuário use muletas. Doenças cardiovasculares e fragilidade óssea são mencionadas como contraindicações. A limitação também é o crescimento, dentro de 1,6-1,9 me peso corporal de até 100 kg. Este é o único exoesqueleto em que você pode dirigir um carro.

10. Ex Bionics eLEGS

2012 A Ekso Bionics, anteriormente conhecida como Berkeley Bionics, revela seu exoesqueleto médico. O projeto começou dois anos antes com o nome eLEGS (10), e destinava-se à reabilitação de pessoas com graus variados de paralisia. Assim como o ReWalk, a construção exige o uso de muletas. A bateria fornece energia para pelo menos seis horas de uso. O conjunto Exo custa cerca de 100 mil. dólares. Na Polônia, é conhecido o projeto do exoesqueleto Ekso GT, um dispositivo médico projetado para trabalhar com pacientes neurológicos. Seu design permite caminhar, incluindo pessoas após acidentes vasculares cerebrais, lesões na medula espinhal, pacientes com esclerose múltipla ou com síndrome de Guillain-Barré. O equipamento pode operar em vários modos diferentes, dependendo do grau de disfunção do paciente.

2013 – Mindwalker, um projeto de exoesqueleto controlado pela mente, recebe financiamento da União Europeia. O projeto é resultado de uma colaboração entre cientistas da Universidade Livre de Bruxelas e da Fundação Santa Lucia, na Itália. Os pesquisadores testaram diferentes maneiras de controlar o dispositivo - eles acreditam que a interface cérebro-neuro-computador (BNCI) funciona melhor, o que permite controlá-lo com pensamentos. Os sinais passam entre o cérebro e o computador, contornando a medula espinhal. O Mindwalker converte os sinais EMG, ou seja, pequenos potenciais (chamados miopotenciais) que aparecem na superfície da pele de uma pessoa quando os músculos estão trabalhando, em comandos eletrônicos de movimento. O exoesqueleto é bastante leve, pesando apenas 30 kg sem baterias. Ele suporta um adulto com peso de até 100 kg.

2016 – A ETH Technical University em Zurique, na Suíça, sedia a primeira competição esportiva Cybathlon para pessoas com deficiência usando robôs assistivos. Uma das modalidades era a corrida de exoesqueleto em pista de obstáculos para pessoas com paralisia dos membros inferiores. Nesta demonstração de habilidades e tecnologia, os usuários do exoesqueleto tiveram que realizar tarefas como sentar em um sofá e levantar, caminhar em encostas, pisar em pedras (como ao atravessar um rio raso na montanha) e subir escadas. Acontece que ninguém conseguiu dominar todos os exercícios e as equipes mais rápidas levaram mais de 50 minutos para completar a pista de obstáculos de 8 metros. O próximo evento acontecerá em 2020 como um indicador do desenvolvimento da tecnologia de exoesqueleto.

2019 – Durante as demonstrações de verão no Commando Training Center em Lympston, Reino Unido, Richard Browning, inventor e CEO da Gravity Industries, exibiu seu exoesqueleto Daedalus Mark 1, que causou uma grande impressão nos militares, e não apenas nos britânicos. Seis pequenos motores a jato - dois deles instalados na parte traseira e dois na forma de pares adicionais em cada braço - permitem subir a uma altura de até 600 m. Até agora, há combustível suficiente apenas para 10 minutos de voo ...