Экзоскелеты

История, виды, применение

Ольга Скибина, «Научная Россия»

Одно из направлений технологического развития в мире – создание механизмов, которые восполнят утраченные функции тела, увеличат силу мышц, подвижность и скорость человека при ходьбе и беге. Такие устройства называются экзоскелетами (от гр. «внешний скелет»).

Упоминание первой технологии, которая по своей конструкции напоминала экзоскелет, датировано 1890 годом. Изобретатель Николай Фердинандович Ягна описал «эластипед» – механизм для облегчения ходьбы солдат. Это была система пружин, которые крепились к телу человека и усиливали движение при подъеме по лестнице или прыжке. Однако рабочий прототип не был получен, поэтому идея о создании экзоскелета угасла.

Первый рабочий образец экзоскелета Hardiman создали в США при Министерстве обороны в 1960-х годах компанией General Electric. Он был очень громоздким, весил 680 кг и поднимал вес до 110 кг. Планировалось, что конструкцию будут применять под водой, в космосе, смогут переносить с ее помощью боеголовки и ядерные стержни. Но проект был неудачным, потому что имел огромные габариты и плохую систему управления. Все попытки использовать экзоскелет приводили к неконтролируемым движениям аппарата, поэтому с человеком внутри его никогда не тестировали.

Также пробовали работать над созданием одной руки, которая могла бы справиться с весом в 340 кг. Но ее вес был вдвое больше поднимаемого груза, поэтому проект не получил развития.

Со временем поле применения экзоскелета расширилось до медицинских задач. Например, в 2017 году немецкие исследователи продемонстрировали устройство весом 65 кг, которое помогает парализованным пациентам. Датчики крепятся к голове, считывают мозговые импульсы и передают их в центр управления экзоскелета, что приводит его в движение. Японское изобретение облегчает жизнь пожилых людей и позволяет поднимать до 25 кг. А американские разработчики создали экзоскелеты для детей с церебральным параличом, повреждениями спинного мозга, мышечной дистрофией и синдромом Ретта.

Медицинские экзоскелеты предлагают и российские производители. Так, компания ExoAtlet создает устройства для реабилитации пациентов, у которых нарушен опорно-двигательный аппарат и нервная система нижней части тела. Управление осуществляется при помощи кнопок на костылях и сигналов, получаемых через датчики и электромиограммы. Механизм воссоздает естественную ходьбу человека и благодаря автоматизированной системе движений не ощущается на теле, хотя весит около 20 кг.

Российский экзоскелет «Компаньон» предназначен для людей с повреждениями спины, нижнего пояса конечностей и восстановления двигательной активности. Сделан из высокопрочного пластика и сплава титана, весит 8,5 кг.

По своим характеристикам он выдерживает 120 кг, температуру от минус 30 до плюс 50°C и доступен для людей ростом 2 м. Специальные инструменты позволяют регулировать крепления в зависимости от ширины таза, длины бедра и голени, съемного аккумулятора при активном использовании хватает на три часа. В его функционал входят ходьба, вставание, подъем по ступенькам и приседание. А с помощью пульта управления можно выбирать даже длину и высоту шага. По словам изобретателей, экзоскелет подходит для людей с мышечной дистрофией, инсультом, спинномозговыми и черепно-мозговыми травмами, а также при нервно-мышечных и нейродегенеративных заболеваниях.

Еще одна область применения экзоскелетов – промышленность, чрезвычайные ситуации, строительство. К этой сфере относится российская разработка модульных экзоскелетов ProEXO. Их начали выпускать в 2021 году во избежание травм на производстве, где предполагается тяжелая физическая работа. Он защищает опорно-двигательный аппарат и берет на себя большую часть нагрузки. По словам разработчиков, 30 кг груза ощущаются, как 15. В его функционал входит более 11 операций.

Также есть три вида российских экзоскелетов для работы с тяжелым весом: X-Soft, X-Rise и X-Arm. X-Soft снимает нагрузку со спины во время наклонов и поворотов с грузом. Весит около 2 кг. X-Arm более тяжелый (около 10 кг), уравнивает нагрузку массой до 40 кг. А X-Rise, весом около 3 кг, помогает рукам не уставать при длительных манипуляциях, когда приходится из держать на весу. Эти экзоскелеты жаростойкие и не требуют дополнительных источников питания, т.к. они заряжаются за счет отдачи и накопления энергии.

К этому же направлению относится устройство, продемонстрированное японцами. Это силовой костюм KOMA 1.5, руки-манипуляторы которого помогают переносить тяжелые грузы как по гладкой и ровной поверхности, так и с препятствиями. В режиме для преодоления препятствий система заменяет колеса на две ноги с приводом, которые повторяют человеческие движения во время ходьбы, и использует искусственный интеллект и встроенные камеры для обнаружения посторонних объектов.

Есть много компаний, которые специализируются на экзоскелетах для работы с большой нагрузкой на руки. Например, устройства Guardian смещают нагрузку с рук на ноги и позволяют даже заблокировать костюм с грузом на весу, при этом продолжать выполнять другие операции своими собственными руками.

Экзоскелеты применяются не только в медицине, промышленности и строительстве, но и в тех сферах, где нужно много ходить или бегать: курьеры, почтальоны и т.д. В 2019 году инженеры Гарвардского университета создали проект экзоскелета, снижающего энергетические затраты во время ходьбы и бега на 9,3%. Конструкция состоит из частей, которые крепятся на бедрах, талии и плечах. Сзади находится блок с электромоторами, которые натягивают тросы при движении ноги назад и облегчают работу мышц.

Похожее устройство представили ученые из Стэнфорда в 2020 году. Как и в гарвардской разработке, используется система тросов и электромоторов. Есть небольшое отличие в креплении: экзоскелет фиксируется ремнями к голени и с помощью веревки к обуви. А еще он снижает затраты энергии на 15%.

Разработки продолжаются. Наиболее перспективно применение экзоскелетов в медицинских и промышленных целях. Так, одна из задач – отказ от инвалидных кресел, минимизация травм на производствах и снижение вреда организму.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru