Egzoszkielety
1890 - Pierwsze pionierskie pomysły stworzenia egzoszkieletu pochodzą jeszcze z XIX wieku. W roku 1890 Nikolas Yagn opatentował w USA (patent nr US 420179 A) „Apparatus for facilitating walking, running and jumping” (1). Był to pancerz wykonany z drewna, którego celem było zwiększenie prędkości żołnierza podczas wielokilometrowego marszu. Konstrukcja stała się inspiracją do dalszych poszukiwań optymalnego rozwiązania.
1961 - W latach 60. ubiegłego stulecia firma General Electric wraz z zespołem naukowców z Uniwersytetu Comell rozpoczęła prace nad projektem konstrukcji elektryczno-hydraulicznego skafandra wspomagającego wysiłek fizyczny człowieka. Współpraca z wojskiem nad projektem Man Augmentation doprowadziła do opracowania konstrukcji Hardiman (2). Celem projektu było stworzenie kombinezonu, który naśladowałby naturalne ruchy człowieka, umożliwiając mu podnoszenie obiektów ważących prawie 700 kg. Tyle samo ważył co prawda sam kombinezon, ale odczuwalny ciężar wynosił zaledwie 20 kg.
Pomimo sukcesu projektu okazało się, że jego użyteczność jest znikoma, a początkowe egzemplarze kosztowałyby bardzo dużo. Ich ograniczone możliwości w zakresie mobilności oraz skomplikowany system zasilania ostatecznie dyskwalifikowały użyteczność tych urządzeń. W trakcie testów okazało się, że Hardiman jest w stanie podnieść jedynie 350 kg, a przy dłuższym użytkowaniu ma tendencję do wykonywania niebezpiecznych, nieskoordynowanych ruchów. Od dalszego rozwoju prototypu odstąpiono i skonstruowano tylko jedno ramię - urządzenie ważyło ok. 250 kg, lecz było tak samo niepraktyczne jak poprzedni egzoszkielet.
lata 70. - Ze względu na swój rozmiar, wagę, brak stabilności i problemy z zasilaniem Hardiman nigdy nie wszedł do produkcji, jednak część technologii z lat 60. wykorzystana została w manipulatorze przemysłowym Man-Mate. Prawa do technologii kupiła spółka Western Space and Marine, założona przez jednego z inżynierów GE. Produkt dalej rozwijano i dzisiaj istnieje on w postaci wielkiego robotycznego ramienia, które, wykorzystując siłowe sprzężenie zwrotne, potrafi podnosić ciężary sięgające 4500 kg, dzięki czemu doskonale sprawdza się w przemyśle metalurgicznym.
1972 - Wczesne aktywne egzoszkielety i roboty humanoidalne zostały opracowane w Instytucie Mihajlo Pupin w Serbii przez zespół kierowany przez prof. Miomira Vukobratovicia. Najpierw opracowano systemy ruchowe na nogach, których celem było wsparcie w rehabilitacji osób cierpiących na paraplegię (3). W trakcie opracowywania aktywnych egzoszkieletów Instytut stworzył również metody analizy i kontroli chodu ludzkiego. Niektóre z tych dokonań przyczyniły się do rozwoju nowoczesnych, wysokowydajnych robotów humanoidalnych. W 1972 r. w klinice ortopedycznej w Belgradzie przetestowano aktywny egzoszkielet do rehabilitacji paraplegików, zasilany pneumatycznie i programowany elektronicznie.
1985 - Inżynier z Laboratorium Narodowego w Los Alamos konstruuje egzoszkielet o nazwie Pitman, czyli zasilany pancerz dla piechurów. Sterowanie urządzenia opierało się na czujnikach skanujących powierzchnie czaszki, umieszczonych w specjalnym hełmie. Jak na ówczesne możliwości technologii, była to konstrukcja zbyt wymagająca, aby podjąć jej produkcję. Ograniczenie stanowiła przede wszystkim zbyt mała moc obliczeniowa komputerów. Poza tym przetwarzanie sygnałów pochodzących z mózgu i zamiana ich na ruch egzoszkieletu pozostawały wówczas technicznie właściwie niewykonalne.
1986 - Monty Reed, żołnierz armii amerykańskiej, który złamał kręgosłup w wypadku spadochronowym, projektuje egzoszkielet Lifesuit (4). Zainspirowały go opisy mobilnych kombinezonów dla piechoty, zamieszczone w powieści science-fiction Roberta Heinleina „Starship Troopers” („Kawaleria Kosmosu”), którą przeczytał podczas szpitalnej rekonwalescencji. Pracę nad budową swojego urządzenia Reed rozpoczął jednak dopiero w roku 2001 r. W 2005 r. wypróbował na sobie dwunasty prototyp Lifesuit, startując w nim w wyścigu Saint Patrick's Day Dash w Seattle, w stanie Waszyngton. Konstruktor twierdzi, że ustanowił rekord prędkości dla chodzenia w kombinezonach robotycznych, pokonując 4,8-kilometrowy dystans ze średnią prędkością 4 km/godz. Prototyp Lifesuit 14 był w stanie przejść 1,6 km na pełnym naładowaniu i pozwalał podnieść 92 kg.
1990-do dziś - Pierwszy prototyp egzoszkieletu HAL został zaproponowany przez Yoshiyukiego Sankai (5), prof. Uniwersytetu Tsukuba. Sankai spędził trzy lata - od 1990 r. do 1993 r. - określając neurony rządzące ruchem nóg. Wykonanie prototypu sprzętu zajęło mu i jego zespołowi kolejne cztery lata. Trzeci prototyp HAL, opracowany na początku XXI wieku, został podłączony do komputera. Sama bateria ważyła prawie 22 kg, co czyniło ją bardzo niepraktyczną. Dla kontrastu, późniejszy model HAL-5 ważył tylko 10 kg, a bateria i komputer sterujący opięte były wokół talii użytkownika. HAL-5 jest obecnie czterokończynowym (choć dostępna jest również wersja tylko na kończyny dolne) egzoszkieletem medycznym, produkowanym przez japońską firmę Cyberdyne Inc. we współpracy z Uniwersytetem w Tsukubie.
Działa przez ok. 2 godziny 40 minut, zarówno w pomieszczeniach, jak i na zewnątrz. Wspomaga podnoszenia ciężkich przedmiotów. Rozmieszczenie elementów sterujących i napędowych w pojemnikach wewnątrz obudowy umożliwiło pozbycie się z konstrukcji tak charakterystycznego dla większości egzoszkieletów „plecaka”, który upodabnia je niekiedy do wielkiego owada. Osoby z nadciśnieniem, osteoporozą oraz wszelkimi chorobami serca przed użytkowaniem HAL-a powinny skonsultować się z lekarzem, a jako przeciwwskazania wymienia się m.in. rozrusznik serca i ciążę. W ramach programu HAL FIT producent oferuje możliwość skorzystania z sesji terapeutycznych z egzoszkieletem zarówno osobom chorym, jak i zdrowym. Konstruktor HAL-a twierdzi, że kolejne etapy modernizacji będą zmierzać w kierunku stworzenia cienkiego kombinezonu, który umożliwi użytkownikowi swobodne ruchy, a nawet bieg.
2000 - Prof. Homayoon Kazerooni i jego zespół z Ekso Bionics opracowują Human Universal Load Carrier, czyli HULC (6) - bezprzewodowy, napędzany hydraulicznie egzoszkielet. Ma on na celu pomagać walczącym żołnierzom w przenoszeniu przez dłuższy czas ładunków o wadze do 90 kg, przy maksymalnej prędkości 16 km/godz. System został zaprezentowany publicznie na Zimowym Sympozjum AUSA 26 lutego 2009 r., kiedy to osiągnięto porozumienie licencyjne z koncernem Lockheed Martin. Dominującym materiałem wykorzystanym w tej konstrukcji jest tytan - lekki lecz stosunkowo drogi materiał o wysokich właściwościach mechaniczno-wytrzymałościowych.
Egzoszkielet wyposażono w przyssawki pozwalające na przenoszenie obiektów o masie do 68 kg (lift assist device). Zasilany jest czterema akumulatorami litowo-polimerowymi, pozwalającymi na właściwe działanie urządzenia przy optymalnym obciążeniu do 20 godz. Egzoszkielet testowano w różnych warunkach pola walki oraz przy rozmaitym obciążeniu. Po serii pomyślnych eksperymentów trafił jesienią 2012 r. do Afganistanu, gdzie był sprawdzany podczas konfliktu zbrojnego. Pomimo wielu pozytywnych opinii projekt został jednak zawieszony. Jak się okazało, konstrukcja utrudniała wykonywanie pewnych ruchów i faktycznie zwiększała obciążenie mięśni, co stało w sprzeczności z generalną ideą przyświecającą jej stworzeniu.
2001 - Rusza - przeznaczony początkowo głównie dla armii - projekt Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). W jego ramach udało się osiągnąć obiecujące efekty w postaci autonomicznych rozwiązań o znaczeniu praktycznym. Przede wszystkim stworzono robotyczne urządzenie mocowane do dolnych części ciała, mające dostarczyć nogom dodatkowej siły. Sprzęt został sfinansowany przez agencję Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) i opracowany przez Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory - jednostkę działającą w ramach Uniwersytetu Kalifornijskiego, Berkeley Department of Mechanical Engineering. System egzoszkieletu z Berkeley zapewnia żołnierzom zdolność do przenoszenia przy minimalnym wysiłku i na każdym rodzaju terenu większych obciążeń, takich jak żywność, sprzęt ratowniczy, zestaw pierwszej pomocy, sprzęt łączności i uzbrojenia. Oprócz zastosowań militarnych w ramach BLEEX rozwijane są obecnie projekty o charakterze cywilnym. Laboratorium Robotics & Human Engineering jest w trakcie badań nad następującymi rozwiązaniami: ExoHiker - egzoszkieletem przeznaczonym głównie dla uczestników wypraw, w których istnieje konieczność transportowania ekwipunku o znacznym ciężarze, ExoClimber - sprzętem dla osób pokonujących duże wzniesienia, Medical Exoskeleton - egzoszkieletem dla osób z upośledzeniem ruchowym kończyn dolnych.
2010 - Pojawia się XOS 2 (8) - kontynuacja egzoszkieletu XOS firmy Sarcos. Nowa konstrukcja jest przede wszystkim lżejsza i wytrzymalsza, umożliwiając statyczne podnoszenie ładunków o masie do 90 kg. Urządzenie przypomina cyborga. Sterowanie oparte jest na trzydziestu siłownikach, które pełnią funkcję sztucznych stawów. Egzoszkielet zawiera liczne czujniki, przekazujące przez komputer sygnały do siłowników. W ten sposób następuje płynne i ciągłe sterowanie, a użytkownik nie odczuwa żadnego znacznego wysiłku. Masa XOS to 68 kg.
2011-do dziś - Amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA) zatwierdza do użytku szpitalnego w Stanach Zjednoczonych medyczny egzoszkielet ReWalk (9). Jest to system wykorzystujący zasilane elementy wzmacniające nogi i umożliwiający paraplegikom stanie w pozycji pionowej, chodzenie oraz wchodzenie po schodach. Energii dostarcza bateria plecakowa. Sterowanie odbywa się za pomocą prostego pilota na rękę, wykrywającego i usprawniającego ruchy użytkownika. Całość zaprojektował Amit Goffer z Izraela, a sprzedaje ją ReWalk Robotics Ltd (pierwotnie Argo Medical Technologies) za ok. 85 tys. dolarów.
W momencie pojawienia się na rynku sprzęt był dostępny w dwóch wersjach - ReWalk I i ReWalk P. Ta pierwsza jest używana przez instytucje medyczne do celów badawczych lub terapeutycznych, pod nadzorem pracownika służby zdrowia. ReWalk P służy do użytku osobistego pacjentów w domu lub w miejscach publicznych. W styczniu 2013 r. udostępniono zaktualizowaną wersję, ReWalk Rehabilitation 2.0. Poprawiono w niej dopasowanie dla wyższych osób oraz wprowadzono ulepszenia w oprogramowaniu kontrolującym. ReWalk wymaga od użytkownika użycia kul. Jako przeciwwskazania wymienia się schorzenia układu krążenia i łamliwość kości. Ograniczenie stanowi również wzrost, w zakresie 1,6-1,9 m, oraz waga ciała do 100 kg. Jest to jedyny egzoszkielet, w którym można prowadzić samochód.
2012 - Firma Ekso Bionics, dawniej znana jako Berkeley Bionics, przedstawia swój egzoszkielet medyczny. Projekt ruszył dwa lata wcześniej, pod nazwą eLEGS (10), i był przeznaczony do rehabilitacji dla osób z różnymi stopniami paraliżu. Podobnie jak ReWalk, konstrukcja wymaga użycia kul. Akumulator dostarcza energię przez co najmniej sześć godzin użytkowania. Komplet Ekso kosztuje ok. 100 tys. dolarów. W Polsce znany jest projekt egzoszkieletu Ekso GT - urządzenia medycznego przeznaczonego do pracy z pacjentami neurologicznymi. Jego konstrukcja pozwala na chodzenie m.in. osobom po udarach, urazach rdzenia, chorym na stwardnienie rozsiane czy z syndromem Guillaina-Barrégo. Sprzęt może pracować w kilku różnych trybach - w zależności od stopnia dysfunkcji pacjenta.
2013 - Mindwalker, projekt egzoszkieletu sterowanego myślami, otrzymuje dofinansowanie z Unii Europejskiej. Konstrukcja stanowi owoc współpracy naukowców z Université Libre de Bruxelles oraz z Fundacji Santa Lucia we Włoszech. Badacze testowali różne sposoby kontrolowania urządzenia - ich zdaniem najlepiej sprawdza się komputerowy interfejs mózgowo-nerwowy (brain-neural-computer interface, BNCI), umożliwiający sterowanie za pomocą myśli. Sygnały są przesyłane między mózgiem a komputerem z pominięciem rdzenia kręgowego. Mindwalker przetwarza sygnały EMG, czyli niewielkie potencjały (zwane miopotencjałami) pojawiające się na powierzchni skóry człowieka podczas pracy mięśni na elektroniczne komendy ruchowe. Egzoszkielet jest dość lekki, ponieważ bez baterii waży zaledwie 30 kg. Utrzyma na nogach osobę dorosłą ważącą nawet 100 kg.
2016 - Politechnika ETH w Zurychu, w Szwajcarii, gości pierwszy Cybathlon, czyli sportowe zawody dla osób niepełnosprawnych korzystających z robotów wspomagających. Jedną z dyscyplin był wyścig egzoszkieletów na torze przeszkód dla osób z paraplegią. Podczas tej demonstracji umiejętności i technologii, użytkownicy egzoszkieletów musieli rozwiązywać takie zadania, jak siedzenie na kanapie i wstawanie, chodzenie po zboczach, stąpanie po kamieniach (tak jak w przypadku przechodzenia przez płytką górską rzekę) i pokonywanie schodów. Okazało się, że nikt nie był w stanie podołać wszystkim ćwiczeniom, a ukończenie 50-metrowego toru przeszkód zajęło najszybszym zespołom ponad 8 minut. Kolejna impreza odbędzie się w 2020 r., stanowiąc wskaźnik postępów technologii egzoszkieletów.
2019 - Podczas przeprowadzonych latem pokazów w Commando Training Centre w brytyjskim Lympstone, Richard Browning, wynalazca i dyrektor generalny firmy Gravity Industries, zademonstrował swój odrzutowy kombinezon-egzoszkielet Daedalus Mark 1, co sprawiło ogromne wrażenie na wojskowych, nie tylko brytyjskich. Sześć niewielkich silników odrzutowych - dwa z nich zamontowane na plecach, a dwa jako dodatkowe pary na każdym z ramion - pozwala wznieść się na wysokość nawet 600 m. Póki co paliwa wystarcza jednak tylko na 10 minut lotu…
Mirosław Usidus
