Exosquelettes
Bien qu'on entende de plus en plus parler d'exosquelettes ces derniers temps, il s'avère que l'histoire de cette invention remonte au XIXe siècle. Découvrez comment il a changé au fil des décennies et à quoi ont ressemblé les tournants de son évolution.
1. Illustration tirée du brevet de Nikolai Yagn
1890 – Les premières idées novatrices pour créer un exosquelette remontent au XIXe siècle. En 1890, Nicholas Yagn fait breveter aux États-Unis (brevet n° US 420179 A) « Un dispositif pour faciliter la marche, la course et le saut » (1). C'était une armure en bois dont le but était d'augmenter la vitesse d'un guerrier lors d'une marche de plusieurs kilomètres. La conception est devenue une source d'inspiration pour poursuivre la recherche de la solution optimale.
1961 - Dans les années 60, General Electric, avec un groupe de scientifiques de l'Université de Comell, a commencé à travailler sur la création d'une combinaison électro-hydraulique qui soutient l'exercice humain. La collaboration avec l'armée sur le projet Man Augmentation a conduit au développement du Hardiman (2). Le but du projet était de créer une combinaison qui imite les mouvements naturels d'un humain, lui permettant de soulever des objets pesant près de 700 kg. Le costume lui-même pesait le même, mais le poids tangible n'était que de 20 kg.
2. Échangeur de chaleur prototype General Electric
Malgré le succès du projet, il s'est avéré que son utilité était négligeable et que les premières copies seraient coûteuses. Leurs options de mobilité limitées et leur système d'alimentation complexe ont finalement rendu ces appareils inutilisables. Lors des tests, il s'est avéré que Hardiman ne peut soulever que 350 kg et, avec une utilisation prolongée, a tendance à des mouvements dangereux et non coordonnés. À partir du développement ultérieur du prototype, un seul bras a été abandonné - l'appareil pesait environ 250 kg, mais il était tout aussi peu pratique que l'exosquelette précédent.
Années 70. "En raison de sa taille, de son poids, de son instabilité et de ses problèmes de puissance, le Hardiman n'est jamais entré en production, mais le Man-Mate industriel a utilisé une technologie des années 60. Les droits de la technologie ont été achetés par Western Space and Marine, fondée par l'un des ingénieurs de GE. Le produit a été perfectionné et existe aujourd'hui sous la forme d'un grand bras robotisé pouvant soulever jusqu'à 4500 XNUMX kg par retour de force, ce qui le rend idéal pour l'industrie sidérurgique.
3. Exosquelettes construits à l'Institut Mihailo Pupin en Serbie.
1972 – Les premiers exosquelettes actifs et robots humanoïdes ont été développés à l'Institut Mihailo Pupin en Serbie par un groupe dirigé par le prof. Miomir Vukobratovitch. Tout d'abord, des systèmes de mouvement des jambes ont été développés pour soutenir la rééducation des personnes souffrant de paraplégie (3). Lors du développement d'exosquelettes actifs, l'institut a également développé des méthodes d'analyse et de contrôle de la marche humaine. Certaines de ces avancées ont contribué au développement des robots humanoïdes haute performance d'aujourd'hui. En 1972, un exosquelette pneumatique actif avec programmation électronique pour la paralysie des membres inférieurs a été testé dans une clinique orthopédique à Belgrade.
1985 "Un ingénieur du Laboratoire national de Los Alamos est en train de construire un exosquelette appelé Pitman, une armure assistée pour les fantassins. Le contrôle de l'appareil était basé sur des capteurs qui scannent la surface du crâne, placés dans un casque spécial. Compte tenu des capacités de la technologie de l'époque, il s'agissait d'une conception trop complexe à fabriquer. La limitation était principalement la puissance de calcul insuffisante des ordinateurs. De plus, le traitement des signaux cérébraux et leur conversion en mouvements d'exosquelette restaient techniquement pratiquement impossibles à cette époque.
4. Combinaison de sauvetage exosquelette, conçue par Monty Reed.
1986 - Monty Reed, soldat de l'armée américaine qui s'est fracturé la colonne vertébrale en faisant du parachutisme, développe un exosquelette de combinaison de survie (4). Il s'est inspiré des descriptions de combinaisons d'infanterie mobiles dans le roman de science-fiction Starship Troopers de Robert Heinlein, qu'il a lu pendant sa convalescence à l'hôpital. Cependant, Reed n'a commencé à travailler sur son appareil qu'en 2001. En 2005, il a testé un prototype de combinaison de sauvetage 4,8 lors de la course de la Saint-Patrick à Seattle, Washington. Le développeur affirme avoir établi un record de vitesse de marche en combinaison robotique, parcourant 4 kilomètres à une vitesse moyenne de 14 km/h. Le prototype Lifesuit 1,6 était capable de parcourir 92 km à pleine charge et permettait de soulever XNUMX kg.
1990-présent - Le premier prototype de l'exosquelette HAL a été proposé par Yoshiyuki Sankai (5), prof. Université de Tsukuba. Sankai a passé trois ans - de 1990 à 1993 - à identifier les neurones qui contrôlent le mouvement des jambes. Il a fallu à lui et à son équipe encore quatre ans pour prototyper l'équipement. Le troisième prototype HAL, développé au début du 22ème siècle, était connecté à un ordinateur. La batterie elle-même pesait près de 5 kg, ce qui la rendait très peu pratique. En revanche, le dernier modèle HAL-10 ne pesait que 5 kg et avait la batterie et l'ordinateur de contrôle enroulés autour de la taille de l'utilisateur. HAL-XNUMX est actuellement un exosquelette médical à quatre membres (bien qu'une version réservée aux membres inférieurs soit également disponible) fabriqué par la société japonaise Cyberdyne Inc. en collaboration avec l'Université de Tsukuba.
5. Le professeur Yoshiyuki Sankai présente l'un des modèles d'exosquelette.
Fonctionne environ 2 heures 40 minutes à l'intérieur et à l'extérieur. Aide à soulever des objets lourds. L'emplacement des commandes et de l'entraînement dans des conteneurs à l'intérieur du boîtier a permis de se débarrasser du "sac à dos" si caractéristique de la plupart des exosquelettes, ressemblant parfois à un gros insecte. Les personnes souffrant d'hypertension, d'ostéoporose et de toute maladie cardiaque doivent consulter un médecin avant d'utiliser HAL, et les contre-indications incluent, mais sans s'y limiter, un stimulateur cardiaque et une grossesse. Dans le cadre du programme HAL FIT, le fabricant offre la possibilité d'utiliser des séances de traitement avec un exosquelette pour les personnes malades et en bonne santé. Le concepteur HAL affirme que les prochaines étapes de la mise à niveau se concentreront sur la création d'une combinaison fine qui permettra à l'utilisateur de se déplacer librement et même de courir.
2000 - prof. Homayoun Kazeruni et son équipe chez Ekso Bionics développent un Universal Human Cargo Carrier, ou HULC (6) est un exosquelette sans fil à entraînement hydraulique. Son but est d'aider les soldats en guerre à porter longtemps des charges pesant jusqu'à 90 kg, avec une vitesse maximale de 16 km/h. Le système a été dévoilé au public lors du symposium d'hiver AUSA le 26 février 2009, lorsqu'un accord de licence a été conclu avec Lockheed Martin. Le matériau dominant utilisé dans cette conception est le titane, un matériau léger mais relativement coûteux avec des propriétés mécaniques et de résistance élevées.
L'exosquelette est équipé de ventouses qui permettent de transporter des objets pesant jusqu'à 68 kg (dispositif de levage). L'alimentation est fournie par quatre batteries lithium-polymère, qui assurent le fonctionnement normal de l'appareil à une charge optimale jusqu'à 20 heures. L'exosquelette a été testé dans diverses conditions de combat et avec diverses charges. Après une série d'expériences réussies à l'automne 2012, il a été envoyé en Afghanistan, où il a été testé lors d'un conflit armé. Malgré de nombreuses critiques positives, le projet a été suspendu. Il s'est avéré que la conception rendait difficile l'exécution de certains mouvements et augmentait en fait la charge sur les muscles, ce qui contredisait l'idée générale de sa création.
2001 – Le projet Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), initialement destiné principalement à l'armée, est en cours. Dans son cadre, des résultats prometteurs ont été obtenus sous la forme de solutions autonomes d'importance pratique. Tout d'abord, un dispositif robotique a été créé, attaché au bas du corps pour donner une force supplémentaire aux jambes. L'équipement a été financé par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et développé par le Berkeley Robotics and Human Engineering Laboratory, une division de l'Université de Californie, Berkeley Mechanical Engineering Department. Le système d'exosquelette Berkeley donne aux soldats la capacité de transporter de grandes charges utiles avec un minimum d'effort et sur tout type de terrain, comme la nourriture, l'équipement de sauvetage, les trousses de premiers soins, les communications et les armes. Outre les applications militaires, BLEEX développe actuellement des projets civils. Le Laboratoire de robotique et de génie humain étudie actuellement les solutions suivantes : ExoHiker - un exosquelette conçu principalement pour les membres de l'expédition lorsqu'il est nécessaire de transporter de l'équipement lourd, ExoClimber - un équipement pour les personnes escaladant de hautes collines, Medical Exoskeleton - un exosquelette pour les personnes handicapées capacités physiques. troubles de la mobilité des membres inférieurs.
8. Prototype Sarcos XOS 2 en action
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2010 – XOS 2 apparaît (8) est une continuation de l'exosquelette XOS de Sarcos. Tout d'abord, la nouvelle conception est devenue plus légère et plus fiable, vous permettant de soulever des charges pesant jusqu'à 90 kg en statique. L'appareil ressemble à un cyborg. Le contrôle est basé sur trente actionneurs qui agissent comme des articulations artificielles. L'exosquelette contient plusieurs capteurs qui transmettent des signaux aux actionneurs via un ordinateur. De cette manière, un fonctionnement fluide et continu a lieu et l'utilisateur ne ressent aucun effort significatif. Le poids du XOS est de 68 kg.
2011-présent – La Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis approuve l'exosquelette médical ReWalk (9). C'est un système qui utilise des éléments de force pour renforcer les jambes et permet aux personnes paralysées de se tenir droites, de marcher et de monter des escaliers. L'énergie est fournie par une batterie dorsale. Le contrôle s'effectue à l'aide d'une simple télécommande portative qui détecte et corrige les mouvements de l'utilisateur. Le tout a été conçu par Amit Goffer d'Israël et est vendu par ReWalk Robotics Ltd (à l'origine Argo Medical Technologies) pour environ 85 XNUMX PLN. dollars.
9 personnes marchent dans les exosquelettes ReWalk
Au moment de sa sortie, l'équipement était disponible en deux versions - ReWalk I et ReWalk P. La première est utilisée par les institutions médicales à des fins de recherche ou thérapeutiques sous la supervision d'un professionnel de la santé. ReWalk P est destiné à un usage personnel par les patients à domicile ou dans des lieux publics. En janvier 2013, une version mise à jour de ReWalk Rehabilitation 2.0 a été publiée. Cela a amélioré l'ajustement pour les personnes de grande taille et amélioré le logiciel de contrôle. ReWalk nécessite que l'utilisateur utilise des béquilles. Les maladies cardiovasculaires et la fragilité osseuse sont citées comme contre-indications. La limitation est également la croissance, entre 1,6 et 1,9 m, et le poids corporel jusqu'à 100 kg. C'est le seul exosquelette dans lequel vous pouvez conduire une voiture.
10. Ex Bionics eLEGS
2012 Ekso Bionics, anciennement connu sous le nom de Berkeley Bionics, dévoile son exosquelette médical. Le projet a débuté deux ans plus tôt sous le nom eLEGS (10), et était destiné à la rééducation de personnes présentant divers degrés de paralysie. Comme ReWalk, la construction nécessite l'utilisation de béquilles. La batterie fournit de l'énergie pendant au moins six heures d'utilisation. L'ensemble Exo coûte environ 100 XNUMX. dollars. En Pologne, le projet de l'exosquelette Ekso GT, un dispositif médical conçu pour travailler avec des patients neurologiques, est connu. Sa conception permet la marche, y compris les personnes après un AVC, les blessés médullaires, les patients atteints de sclérose en plaques ou atteints du syndrome de Guillain-Barré. L'équipement peut fonctionner dans plusieurs modes différents, selon le degré de dysfonctionnement du patient.
2013 – Mindwalker, un projet d'exosquelette contrôlé par l'esprit, reçoit un financement de l'Union européenne. Le design est le fruit d'une collaboration entre des scientifiques de l'Université Libre de Bruxelles et de la Fondation Santa Lucia en Italie. Les chercheurs ont testé différentes façons de contrôler l'appareil - ils pensent que l'interface cerveau-neuro-ordinateur (BNCI) fonctionne le mieux, ce qui vous permet de le contrôler par la pensée. Les signaux passent entre le cerveau et l'ordinateur, en contournant la moelle épinière. Mindwalker convertit les signaux EMG, c'est-à-dire les petits potentiels (appelés myopotentiels) qui apparaissent à la surface de la peau d'une personne lorsque les muscles travaillent, en commandes de mouvement électroniques. L'exosquelette est assez léger, ne pesant que 30 kg sans piles. Il supportera un adulte pesant jusqu'à 100 kg.
2016 – L'Université technique ETH de Zurich, en Suisse, accueille la première compétition sportive de cybathlon pour les personnes handicapées utilisant des robots d'assistance. L'une des disciplines était la course d'exosquelettes sur un parcours d'obstacles pour les personnes atteintes de paralysie des membres inférieurs. Dans cette démonstration de compétences et de technologie, les utilisateurs d'exosquelettes devaient effectuer des tâches telles que s'asseoir sur un canapé et se lever, marcher sur des pentes, marcher sur des rochers (comme lors de la traversée d'une rivière de montagne peu profonde) et monter des escaliers. Il s'est avéré que personne n'était capable de maîtriser tous les exercices, et il a fallu plus de 50 minutes aux équipes les plus rapides pour terminer le parcours d'obstacles de 8 mètres. Le prochain événement aura lieu en 2020 comme indicateur du développement de la technologie des exosquelettes.
2019 - Lors de démonstrations estivales au Commando Training Center de Lympston, au Royaume-Uni, Richard Browning, inventeur et PDG de Gravity Industries, a présenté sa combinaison à réaction exosquelette Daedalus Mark 1, qui a fait une énorme impression sur les militaires, et pas seulement sur les Britanniques. Six petits moteurs à réaction - deux d'entre eux sont installés à l'arrière et deux sous forme de paires supplémentaires sur chaque bras - vous permettent de monter jusqu'à une hauteur de 600 m. Jusqu'à présent, il n'y a que suffisamment de carburant pour 10 minutes de vol ...
