Análise aprofundada da história do desenvolvimento e do status tecnológico dos robôs exoesqueletos
**I. O desenvolvimento e os cenários dos robôs exoesqueletos**
A definição de exoesqueleto na verdade se originou dos animais a princípio, ou seja, o esqueleto externo. Esses esqueletos externos são geralmente usados para dar suporte e proteger os animais. Em contraste, os humanos são criaturas com"endoesqueleto". Portanto, robôs exoesqueletos geralmente se referem a dispositivos eletromecânicos vestíveis que podem se proteger e aprimorar as capacidades humanas. De um único produto eletrônico vestível, ele gradualmente formou uma integração transfronteiriça de eletrônicos, máquinas e biônica, formando uma tecnologia de ponta única para o futuro. No campo de aplicação, ele também se desenvolveu e derivou para incluir dispositivos vestíveis que podem aprimorar (auxiliar na reabilitação) para deficientes, principalmente usados para auxiliar pacientes no treinamento de reabilitação da marcha. Portanto, atualmente, robôs exoesqueletos são geralmente divididos em exoesqueletos aprimorados e exoesqueletos de reabilitação em termos de função.
A ideia de robôs exoesqueletos pode ser rastreada até 1890, quando um russo chamado Nicholas Yagan inventou um tipo de sistema de exoesqueleto movido a bolsas de ar comprimido; em 1917, um inventor americano desenvolveu um robô exoesqueleto movido a vapor; em 1960, surgiu o primeiro projeto de exoesqueleto, que se originou da armadura militar aprimorada dos militares dos EUA. Ao mesmo tempo, pesquisadores da Universidade Cornell também começaram a estudar o conceito de aprimoramento humano. Posteriormente, robôs exoesqueletos logo começaram a ser desenvolvidos, e a maioria dos problemas identificáveis neste campo foram rapidamente identificados. Em 1970, o sistema Hardman projetado pela General Electric continha mais de 30 articulações e podia levantar um peso de 1.500 libras, demonstrando o enorme potencial da tecnologia de exoesqueleto.
Da pesquisa e desenvolvimento à aplicação, os robôs exoesqueletos passaram por mais de cem anos. Os robôs exoesqueletos também começaram a ser aplicados esporadicamente em campos médicos, industriais, de logística e outros do campo militar inicial, incluindo Ekso Labs, Barrett Medical nos Estados Unidos, Rewalk em Israel, Rex Blonics Limited no Reino Unido, CyberDyne no Japão e os robôs exoesqueletos da Panasonic são todos empreendimentos na posição de liderança na indústria.
Na história do desenvolvimento de robôs exoesqueletos no exterior, a Panasonic divulgou pela primeira vez seu projeto de aplicação de robôs exoesqueletos no campo industrial em 2014. Naquela época, para permitir que trabalhadores comuns carregassem facilmente objetos pesados pesando 15 quilos e se movimentassem, a Panasonic primeiro fez uma versão leve do suporte do exoesqueleto e, mais tarde, o apoiou com materiais de fibra de carbono nas áreas das costas, coxas, panturrilhas e pés, combinados com um motor de potência que poderia ser despertado por sensores e, finalmente, alcançou a capacidade de ajudar facilmente as pessoas a carregar 15 quilos de trabalho. Além disso, a Ekso Bionics e a suitX nos Estados Unidos lançaram sucessivamente seus próprios robôs exoesqueletos industriais. Entre eles, o robô exoesqueleto de extremidade superior EksoVest da Ekso Bionics Company já foi aplicado à operação de topo da linha de montagem de automóveis da Ford.
Relativamente falando, essa trilha na China começou relativamente tarde, mas se desenvolveu vigorosamente, especialmente na trilha de robôs exoesqueletos de reabilitação, e muitas empresas iniciantes surgiram, incluindo Maibu Robot, Big Ai, Ruihan Medical, Screaming Technology, Jinhe, Fourier Intelligence, etc. Todas são empresas estrelas neste campo nos últimos anos. Entre essas empresas, em termos de financiamento, elas geralmente concluíram a rodada de financiamento Pré-A em 2017-2018.
Robôs exoesqueletos industriais também surgiram conforme a necessidade na China, incluindo aplicações nas áreas de montagem automotiva e logística. Empresas relevantes de robôs exoesqueletos industriais na China também começaram a avançar. Por exemplo, o robô exoesqueleto industrial de extremidade superior MAPS da Aosha Intelligence foi relatado em 2019 e foi testado nas fábricas da Chery Automobile, Yutong Bus, Beijing Benz e Geely Automobile. Empresas iniciantes na área de robôs exoesqueletos de logística, como a Iron Man Boxing, também lançaram oficialmente seu primeiro robô exoesqueleto de logística de uso geral em 2019, e têm aplicações cooperativas com JD.com, Deppon e Schneider em robôs exoesqueletos de logística, e continuarão a desenvolver profundamente robôs exoesqueletos para aplicações industriais e de construção no futuro.
**II. A Tecnologia e o Status Atual dos Robôs Exoesqueletos**
Um robô exoesqueleto geralmente inclui três partes: o design geral da máquina, o design do driver (mecanismo) e a estratégia de controle. O ponto mais difícil do robô exoesqueleto é atingir a interação e o controle homem-máquina em tempo real. O princípio geral de funcionamento da interação é geralmente: o primeiro passo é perceber a intenção comportamental humana, que geralmente é uma combinação de giroscópio + acelerômetro + sinais de eletromiograma, etc.; o segundo passo é atingir o método de direção, como usar direção comportamental avançada; o terceiro passo é geralmente julgar o ambiente externo por meio da percepção de laser + ultrassom.
Atualmente, há duas maneiras de robôs obterem intenções humanas: obter diretamente a intenção do operador e obter indiretamente a intenção do operador. Os métodos de obtenção direta da intenção do operador incluem dados de EMG ou a força de interação entre humanos e robôs. Os métodos indiretos são obter dados das articulações do exoesqueleto, estimar a intenção do operador e então amplificar o efeito do movimento. A empresa Neuralink fundada por Musk, que está comprometida em conectar o cérebro humano e o computador, é uma maneira de fortalecer essa conexão.
No momento, os robôs exoesqueletos ainda têm muito espaço para imaginação e há opções próximas a produtos de nível de consumidor. De uma perspectiva técnica, o limite de pesquisa e desenvolvimento de robôs exoesqueletos de reabilitação é relativamente baixo e, ao mesmo tempo, pertence a dispositivos médicos de Classe II, e o limite de registro é relativamente baixo; o desempenho técnico limitado de robôs exoesqueletos de assistência à caminhada tem sido continuamente quebrado; o limite de pesquisa e desenvolvimento técnico de robôs cirúrgicos é relativamente alto e pertence a dispositivos médicos de Classe III. O limite de registro e o ciclo na China são muito longos. Portanto, não é surpreendente que robôs exoesqueletos tenham explodido na China.
Em termos de tecnologia de ponta, neste estágio, a Xi'an Jiaotong University, o Imperial College London e a University of Melbourne estão conduzindo pesquisas sobre eletroencefalograma, enquanto a Hong Kong Polytechnic University se concentra na pesquisa combinando estimulação magnética transcraniana e robôs exoesqueletos. Todas essas são direções de ponta no campo da reabilitação neural e reabilitação de robôs no mundo atualmente. No entanto, a indústria médica de reabilitação da China ainda está no estágio inicial de desenvolvimento. Mesmo para alguns robôs exoesqueletos que obtiveram várias certificações médicas, mais empresas ainda dedicam a maior parte de sua energia à pesquisa e desenvolvimento de robôs exoesqueletos médicos. Os produtos verdadeiramente aplicados comercialmente estão principalmente em equipamentos de reabilitação articular, como o robô exoesqueleto de treinamento de reabilitação de extremidades inferiores da Maibu Robot, o robô exoesqueleto de reabilitação de mãos e o equipamento de reabilitação de pulso e tornozelo da Fourier.
Havia principalmente os seguintes problemas que atormentavam os robôs exoesqueletos no estágio inicial. O primeiro problema era o problema de energia. Os primeiros robôs exoesqueletos eram inseparáveis da energia externa. O acionamento por motores de combustão interna e cabos já foi um problema que atrapalhou o desenvolvimento de robôs, o que teve impacto no peso e na sustentabilidade dos robôs. O segundo problema está na tecnologia de controle. A tecnologia de controle permite que os robôs alcancem controle eficiente e controle livre multidimensional precisamente durante todo o processo e acompanhem várias mudanças nos humanos. Se não houver capacidade de percepção de várias tendências de movimento do corpo humano e para fornecer assistência e suporte de ação às pessoas, o robô exoesqueleto se tornará um fardo.
Hoje em dia, com a maturidade das baterias de lítio, células de combustível e outras fontes de energia eficientes, alguns robôs exoesqueletos começaram a resolver bem os problemas de energia e controle, e houve muitos ramos de robôs exoesqueletos de função única, incluindo as formas de suspensórios, luvas, dedos, shorts, joelheiras, etc., e os propósitos de aplicação também derivaram para campos industriais, médicos, civis e militares.
**III. Conclusão**
Atualmente, em termos de mercado de robôs exoesqueletos, como há concorrência no mercado industrial e produtos maduros como robôs industriais, o mercado mais provável para robôs exoesqueletos ainda está no cenário médico. O primeiro mercado é o mercado de danos irreversíveis, visando principalmente pessoas com deficiências de mobilidade causadas por danos musculares, ósseos, nervosos, de tecidos moles e envelhecimento. Há cerca de 90 milhões de pessoas neste grupo 2C. É de grande importância permitir que pessoas com deficiências físicas se levantem. O segundo mercado é o mercado de reabilitação reversível, principalmente para atrofia muscular temporária e população de reabilitação inteligente causada por tratamento de repouso no leito devido a razões cirúrgicas. Há cerca de 25 milhões de pessoas circulando e instituições cooperando para estabelecer canais todos os anos.
No futuro, o principal mercado para robôs exoesqueletos ainda deve ser o mercado consumidor, como para aplicações leves, como caminhadas ao ar livre, trilhas, montanhismo, escalada, etc., e produzir produtos na forma de componentes individuais adequados para joelhos, coxas, sapatos, braços, etc. Não há parâmetros definidos para esta parte do mercado, mas o espaço é muito grande.
Espera-se que em um futuro próximo, com a conquista de materiais e outras questões, o preço dos robôs exoesqueletos continue a cair e, finalmente, alcance o nível de dezenas de milhares ou mesmo milhares de yuans. Neste momento, o mercado, sem dúvida, inaugurará um grande avanço. E se os robôs exoesqueletos puderem ser vendidos como roupas universais, talvez a exploração humana do universo desconhecido não seja mais um sonho distante.
**Declaração**: Este artigo foi extraído da Internet, ligeiramente resumido, e os direitos autorais pertencem ao trabalho original. Se infringir, será deletado.
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