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Exoesqueleto motorizado

Una exhibición del " Futuro Soldado " diseñada por el ejército de los Estados Unidos

Un exoesqueleto motorizado (también conocido como servoarmadura , servoarmadura , traje de poder, traje cibernético , armadura de robot , traje de robot , armadura de alta tecnología , armadura robótica , traje de armadura de robot , armadura cibernética , exotraje , traje rígido , exoestructura o movilidad aumentada [1 ] ) es una máquina móvil que se puede llevar sobre todo o parte del cuerpo humano , que proporciona soporte estructural ergonómico y está impulsada por un sistema de motores eléctricos , neumáticos , palancas , sistemas hidráulicos o una combinación de tecnologías cibernéticas , al tiempo que permite un movimiento suficiente de las extremidades con aumento de fuerza y ​​resistencia. [2] El exoesqueleto está diseñado para proporcionar una mejor tolerancia a la carga mecánica , y su sistema de control tiene como objetivo detectar y sincronizar con el movimiento previsto del usuario y transmitir la señal a los motores que gestionan los engranajes. El exoesqueleto también protege el hombro , la cintura , la espalda y los muslos del usuario contra sobrecargas y estabiliza los movimientos al levantar y sostener objetos pesados. [3]

Un exoesqueleto motorizado se diferencia de un exoesqueleto pasivo en que este último no tiene un actuador intrínseco y depende completamente de los propios músculos del usuario para los movimientos, lo que añade más estrés y hace que el usuario sea más propenso a la fatiga , aunque sí proporciona beneficios mecánicos y protección al usuario. . [4] [5] Esto también explica la diferencia entre un exoesqueleto y una ortesis , ya que la ortesis tiene como objetivo principal promover un aumento progresivo del trabajo muscular y, en el mejor de los casos, recuperar y mejorar las funciones musculares existentes. Actualmente, existen productos que pueden ayudar a los humanos a reducir su consumo de energía hasta en un 60 por ciento mientras transportan cosas. [6]

Historia

El primer dispositivo similar a un exoesqueleto conocido fue un aparato para ayudar al movimiento desarrollado en 1890 por el ingeniero ruso Nicholas Yagn. Utilizaba energía almacenada en bolsas de gas comprimido para ayudar en el movimiento, aunque era pasivo y requería energía humana. [7] En 1917, el inventor estadounidense Leslie C. Kelley desarrolló lo que llamó un pedomotor, que funcionaba con energía de vapor con ligamentos artificiales que actuaban en paralelo a los movimientos del usuario. [8] Este sistema pudo complementar el poder humano con poder externo.

En la década de 1960 comenzaron a aparecer las primeras verdaderas "máquinas móviles" integradas con los movimientos humanos. Un traje llamado Hardiman fue desarrollado conjuntamente por General Electric y las Fuerzas Armadas de EE. UU . El traje funcionaba con sistema hidráulico y electricidad y amplificaba la fuerza del usuario en un factor de 25, de modo que levantar 110 kilogramos (240 libras) equivaldría a levantar 4,5 kilogramos (10 libras). Una característica llamada retroalimentación de fuerza permitía al usuario sentir las fuerzas y los objetos manipulados.

El Hardiman tenía limitaciones importantes, incluido su peso de 680 kilogramos (1500 lb). [9] También fue diseñado como un sistema maestro-esclavo: el operador estaba en un traje maestro rodeado por el traje esclavo exterior, que realizaba el trabajo en respuesta a los movimientos del operador. El tiempo de respuesta del traje de esclavo fue lento en comparación con un traje construido con una sola capa, y los insectos causaron "movimientos violentos e incontrolables de la máquina" al mover ambas piernas simultáneamente. [10] La lenta velocidad al caminar de Hardiman de 0,76 metros por segundo (2,5 pies/s) limitó aún más los usos prácticos y el proyecto no tuvo éxito. [11]

Casi al mismo tiempo, un equipo dirigido por el profesor Miomir Vukobratović desarrolló los primeros exoesqueletos activos y robots humanoides en el Instituto Mihajlo Pupin de Yugoslavia . [12] Los sistemas de locomoción de piernas se desarrollaron primero, con el objetivo de ayudar en la rehabilitación de parapléjicos. Durante el desarrollo de exoesqueletos activos, el Instituto también desarrolló teorías para ayudar en el análisis y control de la marcha humana. Parte de este trabajo sirvió de base para el desarrollo de robots humanoides modernos de alto rendimiento. [13] En 1972, en la Clínica Ortopédica de Belgrado se probó un exoesqueleto activo para la rehabilitación de parapléjicos accionado neumáticamente y programado electrónicamente. [13]

En 1985, un ingeniero del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) propuso un exoesqueleto llamado Pitman, una armadura motorizada para soldados de infantería. [14] El diseño incluía sensores de escaneo cerebral en el casco y se consideraba demasiado futurista; nunca fue construido. [15]

En 1986, Monty Reed, un guardabosques del ejército estadounidense que se había roto la espalda en un accidente con paracaídas, diseñó un exoesqueleto llamado Lifesuit. [16] Mientras se recuperaba en el hospital, leyó la novela de ciencia ficción Starship Troopers de Robert Heinlein , y la descripción de Heinlein de los trajes de poder de infantería móviles inspiró a Reed a diseñar un exoesqueleto de apoyo. En 2001, Reed comenzó a trabajar a tiempo completo en el proyecto y en 2005 usó el prototipo número 12 en la carrera a pie Dash del Día de San Patricio en Seattle, Washington. [17] Reed afirma haber establecido el récord de velocidad para caminar con trajes de robot al completar la carrera de 4,8 kilómetros (3 millas) a una velocidad promedio de 4 kilómetros por hora (2,5 mph). [18] El prototipo de traje salvavidas 14 puede caminar 1,6 km (1 mi) con una carga completa y levantar 92 kg (203 lb) para el usuario. [19]

Clasificación

Modelo general para clasificar los exoesqueletos [20]

La categorización general sugiere varias categorías de exoesqueletos factibles. Dichas categorías tienen clases generales, debido a la gran cantidad de exoesqueletos que existen, y son la estructura, la parte del cuerpo a la que se enfoca, la acción, la tecnología de energía, el propósito y el área de aplicación que varían de uno a otro. [20]

Los exoesqueletos no sólo están diseñados para partes específicas del cuerpo; Los exoesqueletos pueden diseñarse de manera más general para una sola mano, una pierna o incluso el cuerpo completo. Por lo tanto, la separación de clases demuestra las partes del cuerpo más comunes para las que se pueden construir exoesqueletos. La clase de cuerpo completo se refiere a los exoesqueletos diseñados para ayudar a todas las extremidades o la mayor parte del cuerpo. La parte superior del cuerpo se refiere a los exoesqueletos hechos para las extremidades superiores y que involucran el pecho, la cabeza, la espalda y/o los hombros. La categoría de la parte inferior del cuerpo se refiere a los exoesqueletos hechos para las extremidades inferiores: muslos, piernas y/o caderas. Además, existen clases para extremidades y articulaciones específicas. Estas clases incluyen exoesqueletos diseñados para rodilla, tobillo, mano, brazo, pie, etc. Además, hay una clase especial para cualquier otro exoesqueleto que no esté incluido en las clases anteriores. [20]

Los exoesqueletos rígidos son aquellos cuyos componentes estructurales adheridos al cuerpo del usuario están fabricados con materiales duros. Dichos materiales incluyen metales, plásticos, fibras, etc. Los exoesqueletos blandos , también llamados exotrajes, están fabricados con materiales que permiten el libre movimiento de los componentes estructurales. Los exotrajes a menudo se fabrican con textiles, aunque no se limitan a ellos. [20]

La categoría de acción describe el tipo de ayuda que el exoesqueleto brinda al usuario, dividiendo los exoesqueletos en acción activa y pasiva. La clase activa comprende exoesqueletos que brindan ayuda "activa" al usuario; es decir, estos exoesqueletos realizan los movimientos sin necesidad de que el usuario aplique energía. La energía necesaria para realizar el movimiento es suministrada por una fuente externa. Por otro lado, la clase pasiva comprende exoesqueletos que necesitan que el usuario realice el movimiento para funcionar; Estos exoesqueletos no tienen fuentes de energía. Así, el usuario tiene que realizar el movimiento, y mientras lo realiza, el exoesqueleto facilita el movimiento. [20]

Las tecnologías de energía se dividen en cuatro clases principales, con una clase específica para híbridos y otra para cualquier otra tecnología de energía no común. Las cuatro clases principales comprenden los actuadores eléctricos, hidráulicos y neumáticos como acción activa, y los sistemas mecánicos como acción pasiva. [20]

El propósito del exoesqueleto define para qué se utilizará el exoesqueleto. Esta categoría tiene sólo dos clases: recuperación y rendimiento. Los exoesqueletos de recuperación se utilizan para rehabilitación; Los exoesqueletos de rendimiento se utilizan como asistencia. [20]

La última categoría comprende el área de aplicación para la que se fabricó el exoesqueleto. Cada exoesqueleto puede pertenecer a una o más clases. La clase militar comprende cualquier exoesqueleto utilizado para cualquier actividad que involucre a un ejército, marina, fuerza aérea o cualquier otra rama militar. La clase médica comprende los exoesqueletos involucrados en actividades clínicas, o en general, utilizados en cualquier hospital/clínica. Además, los exoesqueletos de recuperación normalmente se clasifican en la clase médica. Además, la clase de investigación comprende los exoesqueletos que se encuentran hoy en día en su fase de desarrollo de investigación. La clase industrial, como su nombre indica, engloba aquellos exoesqueletos fabricados específicamente para actividades industriales. Estos exoesqueletos se caracterizan por ser utilizados por personas sin patología alguna buscando evitar daños físicos a largo plazo. Esta descripción también se aplica a los exoesqueletos militares. La clase civil es para los exoesqueletos de recuperación o rendimiento hechos para que las personas los usen en sus hogares o espacios públicos, ayudando en tareas que las personas no pueden realizar tan fácilmente por sí solas. Por último, existe una clase de exoesqueletos en la que las aplicaciones no encajan en ninguna de las clases anteriores. [20]

Aplicaciones

Steve Jurvetson con un traje de exoesqueleto impulsado por una extremidad de asistencia híbrida , disponible comercialmente en Japón

Médico

En aplicaciones médicas, por ejemplo en caso de paraplejía completa después de una lesión de la médula espinal , un exoesqueleto puede ser una opción adicional para el suministro de ayudas, si las propiedades estructurales y funcionales del sistema neuromuscular y esquelético son demasiado limitadas para poder lograr la movilización con una ortesis . En pacientes con paraplejia completa (ASIA A) , los exoesqueletos son interesantes como alternativa a una ortesis bajo este criterio para alturas de lesión por encima de la vértebra torácica (T12). En pacientes con paraplejía incompleta (ASIA BD) , las ortesis son adecuadas incluso para alturas de lesión por encima de T12, para favorecer la propia actividad del paciente hasta tal punto que la movilización terapéutica pueda tener éxito. [21] [22] [23] A diferencia de una órtesis, un exoesqueleto asume una gran parte del trabajo muscular activo, mientras que una órtesis está destinada a activar la recuperación del trabajo muscular. Además, los exoesqueletos eléctricos pueden mejorar la calidad de vida de las personas que han perdido el uso de sus piernas al permitir la marcha asistida por un sistema. [24] Los exoesqueletos, que pueden denominarse "robots de rehabilitación escalonada", también pueden ayudar con la rehabilitación de accidentes cerebrovasculares , lesiones de la médula espinal o durante el envejecimiento. [25] Se están desarrollando varios prototipos de exoesqueletos. [26] [27] El Ekso GT, fabricado por Ekso Bionics, es el primer exoesqueleto aprobado por la Administración de Medicamentos y Alimentos de EE. UU. (FDA) para pacientes con accidente cerebrovascular. [28] El Centro Alemán de Investigación para la Inteligencia Artificial ha desarrollado dos exoesqueletos de uso general, CAPIO [29] [30] y VI-Bot. [31] Estos se utilizan principalmente para teleoperación. También se está desarrollando tecnología de exoesqueleto para mejorar la precisión durante la cirugía [32] y para ayudar a las enfermeras a mover y transportar pacientes pesados. [33]

Militar

Exoesqueleto desarrollado por DARPA

Desarrollar un traje de cuerpo completo que satisfaga las necesidades de los soldados ha resultado un desafío. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) lanzó el programa Warrior Web [34] en septiembre de 2011 [35] y ha desarrollado y financiado varios prototipos, incluido un "exotraje blando" desarrollado por el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard . [36] A principios de la década de 2000, DARPA financió el primer prototipo de exoesqueleto motorizado de cuerpo completo Sarcos , que se accionaba hidráulicamente y consumía 6.800 vatios de potencia. [37] Para 2010, DARPA y Sarcos habían reducido eso a más de la mitad, a 3.000 vatios, pero aún requerían que el exoesqueleto estuviera atado a la fuente de energía. Hoy en día, el Sarcos Guardian XO funciona con baterías de iones de litio y es aplicable para aplicaciones de logística militar. [37] En 2019, el proyecto de exoesqueleto TALOS del ejército de EE. UU . quedó en suspenso. [38] Se ha desarrollado una variedad de exoesqueletos "adelgazados" para su uso en el campo de batalla, con el objetivo de disminuir la fatiga y aumentar la productividad. [39] Por ejemplo, el traje ONYX de Lockheed Martin tiene como objetivo ayudar a los soldados a realizar tareas que requieren "intensidad de rodillas", como cruzar terrenos difíciles. [40] El grupo de Leia Stirling ha identificado que los exoesqueletos pueden reducir los tiempos de respuesta de un soldado. [41]

Civil

Se están desarrollando exoesqueletos para ayudar a los bomberos y otros trabajadores de rescate a subir escaleras mientras transportan equipo pesado. [42]

Industria

La tecnología de exoesqueleto pasivo se utiliza cada vez más en la industria automotriz, con el objetivo de reducir las lesiones de los trabajadores (especialmente en los hombros y la columna) y reducir los errores debidos a la fatiga. [43] [44] También se están examinando su uso en logística . [45]

Estos sistemas se pueden dividir en dos categorías: [46]

Para una aplicación más amplia, los exoesqueletos industriales deben ser livianos, cómodos, seguros y mínimamente perjudiciales para el medio ambiente. [47] Para algunas aplicaciones, los exoesqueletos de una sola articulación (es decir, destinados a ayudar sólo a la extremidad involucrada en tareas específicas) son más apropiados que los trajes motorizados de cuerpo completo. [47] Se han desarrollado exoesqueletos eléctricos de cuerpo completo para ayudar con cargas pesadas en el entorno industrial, [48] [49] y para aplicaciones especializadas como el mantenimiento de plantas de energía nuclear. [50]

Sin embargo, la eficacia biomecánica de los exoesqueletos en aplicaciones industriales aún se desconoce en gran medida. Las empresas deben realizar una evaluación de riesgos en los lugares de trabajo en los que se utilizarán exoesqueletos. El Instituto de Seguridad y Salud en el Trabajo del Seguro Social Alemán de Accidentes ha elaborado un borrador de evaluación de riesgos para los exoesqueletos y su uso. La evaluación de la seguridad se basa en diversas experiencias que incluyen la seguridad de las máquinas, los equipos de protección personal y el análisis de riesgos de estrés físico en el trabajo. Los exoesqueletos disponibles en el mercado a menudo no prestan la debida atención a los aspectos de seguridad, en algunos casos a pesar de que sus fabricantes afirman lo contrario. [51]

Productos

Proyectos en espera/abandonados

Limitaciones y problemas de diseño.

Las ayudas a la movilidad se abandonan con frecuencia por falta de usabilidad. [74] Las principales medidas de usabilidad incluyen si el dispositivo reduce la energía consumida durante el movimiento y si es seguro de usar. A continuación se enumeran algunos problemas de diseño que enfrentan los ingenieros.

Fuente de alimentación

Uno de los mayores problemas a los que se enfrentan los ingenieros y diseñadores de exoesqueletos motorizados es el suministro de energía . [75] Este es un problema particular si el exoesqueleto está destinado a ser usado "en el campo", es decir, fuera de un contexto en el que el exoesqueleto pueda conectarse a fuentes de energía externas a través de cables de alimentación , teniendo así que depender únicamente de la fuente de alimentación a bordo. . Los paquetes de baterías requerirían reemplazo o recarga frecuentes [75] y podrían correr riesgo de explosión debido a la fuga térmica . [76] Según Sarcos, la compañía ha resuelto algunos de estos problemas relacionados con la tecnología de las baterías, particularmente el consumo, reduciendo la cantidad de energía requerida para operar su Guardian XO a menos de 500 vatios (0,67 hp) y permitiendo que sus baterías estén “calientes”. -intercambiado” sin apagar la unidad. [37] Los motores de combustión interna ofrecen una alta producción de energía, pero los problemas incluyen gases de escape, calor residual e incapacidad para modular la potencia suavemente, [77] así como la necesidad periódica de reponer combustibles volátiles . En algunos prototipos se han utilizado pilas de hidrógeno [78] , pero también adolecen de varios problemas de seguridad. [79]

Esqueleto

Los primeros exoesqueletos utilizaban materiales económicos y fáciles de moldear, como acero y aleaciones de aluminio . Sin embargo, el acero es pesado y el exoesqueleto motorizado debe trabajar más para superar su propio peso, lo que reduce la eficiencia. Las aleaciones de aluminio son livianas, pero fallan rápidamente por fatiga . [80] La fibra de vidrio , la fibra de carbono y los nanotubos de carbono tienen una resistencia por peso considerablemente mayor. [81] También se están desarrollando exoesqueletos "blandos" que unen motores y dispositivos de control a ropa flexible. [82]

Actuadores

Músculo de aire neumático

Los actuadores conjuntos también enfrentan el desafío de ser livianos pero potentes. Las tecnologías utilizadas incluyen activadores neumáticos, [63] cilindros hidráulicos, [83] y servomotores electrónicos . [84] Se están investigando actuadores elásticos para simular el control de la rigidez en las extremidades humanas y proporcionar percepción táctil. [85] El músculo aéreo , también conocido como actuador neumático trenzado o músculo aéreo McKibben, también se utiliza para mejorar la retroalimentación táctil. [86]

Flexibilidad articular

La flexibilidad de la anatomía humana es una cuestión de diseño para los robots "duros" tradicionales. Varias articulaciones humanas, como las caderas y los hombros , son articulaciones esféricas , con el centro de rotación dentro del cuerpo. Dado que no hay dos individuos exactamente iguales, no es posible imitar completamente los grados de libertad de un movimiento articular. En cambio, la articulación del exoesqueleto se modela comúnmente como una serie de bisagras con un grado de libertad para cada eje de rotación. [74]

La flexibilidad de la columna es otro desafío, ya que la columna es efectivamente una pila de rótulas de movimiento limitado. No existe una combinación simple de bisagras externas de un solo eje que pueda igualar fácilmente el rango completo de movimiento de la columna humana . Debido a que la alineación precisa es un desafío, los dispositivos a menudo incluyen la capacidad de compensar la desalineación con grados de libertad adicionales. [87]

Los exoesqueletos blandos se doblan con el cuerpo y abordan algunos de estos problemas. [88]

Control de potencia y modulación.

Un exoesqueleto exitoso debería ayudar a su usuario, por ejemplo, reduciendo la energía necesaria para realizar una tarea. [74] Las variaciones individuales en la naturaleza, el alcance y la fuerza de los movimientos dificultan que un dispositivo estandarizado proporcione la cantidad adecuada de asistencia en el momento adecuado. Se están desarrollando algoritmos para ajustar los parámetros de control para optimizar automáticamente el costo de energía al caminar. [89] [90] La retroalimentación directa entre el sistema nervioso humano y las prótesis motorizadas ("diseño neurocorporizado") también se ha implementado en algunos casos de alto perfil. [91]

Adaptación a las variaciones de tamaño del usuario

Los seres humanos exhiben una amplia gama de diferencias de tamaño físico, tanto en la longitud del esqueleto como en la circunferencia de las extremidades y el torso, por lo que los exoesqueletos deben ser adaptables o adaptarse a los usuarios individuales. En aplicaciones militares, es posible solucionar este problema exigiendo que el usuario tenga un tamaño físico aprobado para poder recibir un exoesqueleto. En el ejército ya se aplican restricciones al tamaño físico del cuerpo para trabajos como el de piloto de aviones, debido a los problemas de adaptar asientos y controles a personas muy grandes y muy pequeñas. [92] Para los exoesqueletos blandos, esto es un problema menor. [88]

Salud y seguridad

Si bien los exoesqueletos pueden reducir el estrés del trabajo manual, también pueden plantear peligros. [1] Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) de EE. UU. han pedido que se realicen investigaciones para abordar los peligros y beneficios potenciales de la tecnología, señalando posibles nuevos factores de riesgo para los trabajadores, como la falta de movilidad para evitar la caída de un objeto y posibles caídas. debido a un cambio en el centro de gravedad. [93]

En 2018, la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de EE. UU . no estaba preparando ninguna norma de seguridad para exoesqueletos. La Organización Internacional de Normalización publicó una norma de seguridad en 2014 y ASTM International estaba trabajando en normas que se publicarían a partir de 2019. [1]

Grandes eventos

Representaciones ficticias

Los exoesqueletos motorizados aparecen en libros y medios de ciencia ficción como equipo estándar para marines espaciales , mineros, astronautas y colonos. A la novela de ciencia ficción Starship Troopers de Robert A. Heinlein (1959) se le atribuye la introducción del concepto de armadura militar futurista. Otros ejemplos incluyen el traje Iron Man de Tony Stark , el exoesqueleto robótico utilizado por Ellen Ripley para luchar contra la reina Xenomorfa en Aliens , la servoarmadura utilizada en la franquicia de videojuegos Fallout y el exoesqueleto de STALKER . [95] [96] [97] [98]

Ver también

Referencias

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