Exoesqueleto (del griego έξω - externo y σκελετος - esqueleto) - un dispositivo diseñado para compensar las funciones perdidas, aumentar la fuerza muscular humana y expandir el rango de movimiento debido al marco externo y las partes impulsoras [1] , así como para transferir la carga al transferir carga a través del marco exterior a la plataforma de soporte del pie del exoesqueleto.
El exoesqueleto repite la biomecánica humana para un aumento proporcional de los esfuerzos durante los movimientos. Para determinar estas proporciones se debe utilizar el concepto de parametrización anatómica.
La parametrización anatómica es la determinación de correspondencias entre diversas características anatómicas de la estructura del cuerpo humano y los parámetros de un dispositivo mecánico, que determinan el funcionamiento óptimo del sistema biomecánico resultante. [2] [3]
Según informes de prensa abiertos, se han creado modelos operativos actualmente en Rusia [4] [5] , Japón , EE . UU . [6] e Israel . El exoesqueleto se puede construir en un traje espacial .
El primer exoesqueleto fue desarrollado conjuntamente por General Electric y el ejército estadounidense en los años 60, y se llamó Hardiman . Podía levantar 110 kg con la fuerza aplicada al levantar 4,5 kg. Sin embargo, no era práctico debido a su importante masa de 680 kg. El proyecto no tuvo éxito. Cualquier intento de usar el exoesqueleto completo terminó en un movimiento intenso e incontrolable, lo que resultó en que nunca se probara con un humano adentro. La investigación adicional se ha centrado en una mano. Aunque se suponía que debía levantar 340 kg, su peso era de 750 kg, que era el doble de la capacidad de elevación. Sin conectar todos los componentes entre sí, la aplicación práctica del proyecto Hardiman fue limitada [7] .
El exoesqueleto ReWalk, desarrollado por ReWalk Robotics, permite caminar a las personas paralizadas. El nuevo sistema, según los investigadores, puede ser utilizado por los pacientes en la vida cotidiana [8] .
Los exoesqueletos que se han creado hasta la fecha, o que se encuentran en una etapa de desarrollo prometedor, se pueden clasificar de acuerdo con los siguientes criterios [9] :
La clasificación más completa y moderna fue propuesta por el profesor Vorobyov A. A. y coautores (2015) [10]
La clasificación propuesta se basa en varios principios.
La principal dirección de desarrollo es el uso militar de exoesqueletos para aumentar la movilidad de grupos tácticos y unidades que operan a pie, al compensar la carga física de los soldados causada por el peso excesivo del equipo. [12] El aumento en la movilidad y la velocidad humana también puede ir acompañado de un aumento en la fuerza del que usa el exoesqueleto.
La integración del exoesqueleto en el equipo irá acompañada de su transformación en un sistema multifuncional. Además de su propósito principal, puede realizar las funciones de un generador eléctrico, almacenamiento de baterías, un marco para unir módulos de protección de armaduras, equipos de telecomunicaciones, varios sensores y transductores, tendido de líneas eléctricas y transmisión de datos. [12] Cabe destacar el uso de elementos estructurales de exoesqueleto como sistema de antena para transmitir y recibir señales de radio. [12]
Otra posible área de aplicación de los exoesqueletos es ayudar a heridos y personas con discapacidad , los ancianos, que por su edad tienen problemas en el sistema musculoesquelético .
Para la rehabilitación de pacientes con fracturas mandibulares se desarrolló un exoesqueleto mandibular [13] , el mismo está dirigido al tratamiento de defectos mandibulares en pacientes con posibilidad de restaurar la función masticatoria en el postoperatorio temprano y en las etapas de rehabilitación. Este dispositivo [14] proporciona por primera vez al paciente no solo la actividad motora de la mandíbula inferior, sino que también compensa las fuerzas patológicas resultantes del uso de un dispositivo de fijación externa para fragmentos óseos [15] [16] . Exoesqueleto mandibular en YouTube
Las modificaciones de los exoesqueletos, así como algunos de sus modelos, pueden brindar una ayuda significativa a los rescatistas en el análisis de los escombros de los edificios derrumbados. Al mismo tiempo, el exoesqueleto puede proteger al rescatador de la caída de escombros.
Hoy en día, un gran obstáculo para comenzar la construcción de exoesqueletos completos es la falta de fuentes de energía adecuadas que permitan que la máquina funcione de forma autónoma durante mucho tiempo.
En los años 1960 General Electric desarrolló un diseño eléctrico e hidráulico llamado Hardiman, con la forma del exoesqueleto cargador que usa la teniente Ellen Ripley (en la película " Aliens ") en la batalla final contra el útero alienígena [17] , pero con un peso de 1,500 libras ( 680, 4 kg) el diseño era ineficiente.
Se han construido ejemplos de trabajo de exoesqueletos, pero el uso generalizado de tales modelos aún no es posible. Este es, por ejemplo, el exoesqueleto Sarcos XOS, que fue desarrollado por encargo del ejército de los EE. UU. Según la prensa, la máquina estaba bien diseñada, pero debido a la falta de baterías de capacidad suficiente, la demostración tuvo que realizarse en modo de red (un video con una demostración está en YouTube [18] ).
Algunos exoesqueletos ( Hybrid Assistive Limb , Honda Walking Assist Device) se posicionan como dispositivos para personas con problemas musculoesqueléticos [19] . Honda Walking Assist Device fue producido por Honda en tres tamaños: pequeño, mediano (peso 2,8 kg), grande.
El desarrollo del exoesqueleto ruso denominado ExoAtlet lo lleva a cabo un equipo de científicos del proyecto ExoAtlet, el primer exoesqueleto médico ruso para la rehabilitación, adaptación social e integración de personas con alteraciones de la función locomotora de las extremidades inferiores. Según los desarrolladores, dicho exoesqueleto es adecuado no solo para personas con lesiones en la médula espinal, sino también para personas con las consecuencias de un derrame cerebral. Actualmente, se han creado varios prototipos de trabajo del producto. La última modificación, ExoAtlet Albert, se controla con muletas y permite que una persona camine, se siente y se levante de forma independiente. Según los responsables del proyecto, las primeras ventas comenzarán en 2016.
Active Electric es un exoesqueleto industrial activo desarrollado por el Laboratorio Digital de Níquel de Norilsk en colaboración con la Universidad Estatal del Sudoeste (Universidad Estatal del Sudoeste, Kursk) y la empresa Exomed [20] (Kursk). El exoesqueleto industrial de las extremidades inferiores AE está diseñado para levantar, transportar y sujetar cargas, así como para realizar trabajos relacionados con una larga estancia en estado estático, se utiliza para prevenir lesiones en el trabajo y mejora la eficiencia productiva [21] [22 ] . Equipado con un sistema de control inteligente para accionamientos eléctricos y un conjunto de sensores a bordo que analizan los parámetros ambientales, del usuario y de la carga. El diseño modular del exoesqueleto incluye compensadores de gravedad y un módulo de elevación de carga accionado eléctricamente, lo que permite que el exoesqueleto asuma hasta el 90% del peso de la carga con una capacidad de carga máxima de hasta 60 kg. El exoesqueleto está diseñado para operadores con una altura de 160 a 195 cm, y también incluye una computadora a bordo que permite monitorear en tiempo real el nivel de contaminación del aire ambiental, la temperatura del aire, la iluminación, el modo de usuario y otros parámetros. Todos los datos se muestran en un dispositivo móvil y se pueden transferir a una red corporativa [23] . Actualmente se está probando un lote experimental en empresas.
ExoHeaver Lowebacker es un exoesqueleto pasivo de tipo blando diseñado para descargar la espalda durante trabajos de izaje, almacenamiento y transporte [24] . Diseñado para trabajar con cargas de hasta 25 kg, puede equiparse con un sistema de sensores para integrarse en el sistema "smart worker". Tiene certificación TR TS y GOST R y se utiliza con éxito en varias empresas en Rusia, Kazajstán y Bielorrusia [25] .
ExoHeaver Holdupper es un exoesqueleto pasivo con un mecanismo de cinemática paralela diseñado para descargar las extremidades superiores del usuario cuando se trabaja con una herramienta pesada o carga de hasta 20 kg.
XOS 2 es un traje robótico de segunda generación desarrollado por Raytheon para el Ejército de EE. UU. La compañía demostró por primera vez las capacidades del exoesqueleto en su centro de investigación en Salt Lake City, Utah, en septiembre de 2010. El traje robótico aumenta la fuerza, la agilidad y la resistencia del soldado que lleva dentro. El XOS 2 utiliza un sistema hidráulico de alta presión que permite al usuario levantar objetos pesados en una proporción de 17:1 (peso real a peso percibido). Esto le permite levantar la carga repetidamente sin fatiga ni lesiones.
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA) inició el desarrollo de exoesqueletos en 2001 como parte del programa Exoesqueletos para el aumento del rendimiento humano. La agencia ha financiado $50 millones para varios participantes a través de un programa de cinco años. Sin embargo, solo dos de ellos participan activamente en el desarrollo de prototipos de exoesqueletos para el ejército estadounidense.
El sistema XOS fue desarrollado originalmente como un robot portátil energéticamente autónomo (WEAR) por Sarcos Research de Salt Lake City, Utah. El desarrollo del robot biomecánico comenzó en 2000. La empresa, fundada en 1983, fue adquirida por Raytheon en noviembre de 2007.
El traje robótico XOS 2 de segunda generación utiliza un material más liviano y es aproximadamente un 50 % más eficiente que el XOS 1. Se espera que el exoesqueleto pese alrededor de 95 kg. Utiliza una combinación de controladores, sensores, aluminio y acero de alta resistencia para permitir que las estructuras y los actuadores completen las tareas.
El sistema XOS 2 está equipado con un motor de combustión interna hidráulico con sistemas eléctricos. El prototipo está atado a una fuente de energía hidráulica con un cable. El motor controla los accionamientos hidráulicos. Varios sensores equipados en todo el sistema determinan la posición y la fuerza requerida.
Un proyecto de la subsidiaria de Panasonic , ActiveLink . Se utilizan exoesqueletos aplicados para aumentar la fuerza de los soldados; Además, los soportes robóticos para las piernas pueden ayudar a las personas paralizadas a caminar y pueden ser utilizados por trabajadores de plantas de energía nuclear y empleados del Ministerio de Situaciones de Emergencia en caso de desastres naturales.
Los trajes ActiveLink están diseñados para que los usuarios puedan ponérselos y estar en funcionamiento en 30 segundos o menos. Los exoesqueletos motorizados para rehabilitación u otras aplicaciones médicas suelen utilizar sensores eléctricos de actividad muscular que tardan en calibrarse.
El traje rígido permite a los buzos sumergirse a profundidades de 1,000 pies. El exoesqueleto está hecho de aleación de aluminio A536. Peso - desde 225 kilogramos. El tiempo máximo de inmersión es de 50 horas.
Un producto de Solar System Express. El RL Mark VI permitirá descender hasta 62 millas (100 km) sobre la superficie de la tierra en el borde mismo del espacio y aterrizar verticalmente utilizando botas giroscópicas en lugar de un paracaídas. Este traje mejorará la seguridad y el rendimiento de los vuelos espaciales tripulados, proporcionará un medio para escapar de posibles accidentes catastróficos y mejorará las oportunidades para el turismo espacial y la investigación científica.
Eidos Montreal y Open Bionics lanzarán conjuntamente prótesis impresas en 3D como parte de una campaña de relaciones públicas para Deus Ex: Mankind Divided . Una característica distintiva de las prótesis de este proyecto será su bajo costo.
Laevo ( Países Bajos ) ha desarrollado una versión pasiva del exoesqueleto que utiliza cilindros hidráulicos. Está diseñado para facilitar la ejecución de operaciones logísticas y reduce la percepción subjetiva de la carga en un 40-50%. Al inclinar el torso o ponerse en cuclillas, se acumula un exceso de presión en los cilindros hidráulicos del exoesqueleto, que se libera cuando el cuerpo vuelve a su posición original, creando en ese momento un esfuerzo adicional para descargar los músculos correspondientes. El peso del producto de la versión V2.4 es de 2,5 kg, la versión V2.5 es de 2,8 kg. Los cilindros hidráulicos están diseñados para al menos 250 mil operaciones en 3 años. La temperatura ambiente durante el funcionamiento debe ser superior a cero. El exoesqueleto recibió la certificación médica "CE - Dispositivo Médico Clase I ".
En 2019, los médicos de Volgogrado Alexander Vorobyov y Fedor Andryushchenko presentaron el primer exoesqueleto para un cirujano, diseñado para facilitar la realización de operaciones endoscópicas de horas de duración al reducir la carga sobre la columna vertebral y las manos del cirujano. [26] A finales de marzo se realizó la primera operación con este exoesqueleto. [27]
Diseñado por suitX, también conocido como US Bionics. El director de la empresa es Homayoon Kazerooni . PHOENIX - es uno de los exoesqueletos más ligeros con un peso de 12,25 kg. Diseñado para personas con problemas del sistema musculoesquelético , es decir, para personas que no pueden caminar por sí mismas. La velocidad de desplazamiento es de 0,5 m/s, está equipado con una batería recargable con una reserva de marcha continua de hasta 4 horas y de hasta 8 horas con pausas. Tiene tamaños ajustables y se puede ajustar para usuarios de diferentes físicos y alturas. El PHOENIX está equipado con motores de muslo que accionan las articulaciones de la rodilla del exoesqueleto, lo que permite el libre movimiento. Está diseñado de tal manera que el operador no siente su peso y está sobre él. En caso de colisión con un obstáculo, el exoesqueleto compensa el impacto sin transferirlo al propietario.
Los exoesqueletos aparecen a menudo en la ciencia ficción , la mayoría de las veces como equipo militar, en forma de servoarmadura o traje de combate [28] .
Los exoesqueletos o estructuras similares son utilizados por los personajes de la serie de películas " The Matrix " (APU - Armored Personnel Units), las películas " Avatar ", " Atraction ", " Distrito No. 9 " (algo entre un exoesqueleto y un caminante ) [28] , " Elysium - Paradise not on Earth ", " Toss of the Cobra ", " Spy Kids 4D ". Una de las escenas más famosas asociadas con los exoesqueletos [28] se muestra en la película " Aliens ", donde el personaje principal Ellen Ripley usa un cargador de exoesqueletos en la batalla final contra la reina Alien . En la película " Al filo del mañana ", todos los luchadores luchan en exoesqueletos. En la serie animada Echo Platoon , la idea de los exoesqueletos voladores de combate está en el centro de la trama [28] .