Что такое экзоскелет и где их применяют | Hi-Tech Mail.ru

Экзоскелет — это технологический механизм, предназначенный для восполнения утраченных функций человека, а также для усиления его мышечных способностей.
Современные модели способны увеличить силу в несколько раз или дарить радость движения почти парализованному человеку. Они применяются во многих сферах на производстве, в медицине и в военной сфере. Но обо всем по порядку.

История создания экзоскелетов

Первый механизм экзоскелета был спроектирован российским изобретателем-самоучкой Николаем Фердинандовичем Ягном еще в 1889 году. Аппарат, получивший название «эластипед», представлял собой систему пружин и поршней, которая крепилась к человеку с помощью эластичных ремней. По задумке Ягна, при сгибании конечностей во время ходьбы пружины должны были аккумулировать энергию и придавать телу дополнительный импульс.

Однако из-за технических ограничений того времени, а также недостатка опыта проект Ягна так и остался на чертежах, а сам ученый довольно быстро переключил свое внимание на разработку изобретений в сфере воздухоплавания и подводных аппаратов.

Первый прототип экзоскелета, который был воплощен «в железе», создали только в 1960-е годы. Устройство под брендом Hardiman – совместная разработка ВС США и компании General Electric. Механизм мог поднимать груз весом 110 кг при усилии всего 4,5 кг, однако был непрактичным из-за своей значительной массы в 680 кг. Кроме того, во время экспериментов инженерам никак не удавалось совладать с неконтролируемыми движениями экзоскелета, поэтому они так и не решились облачать в него человека, и в конце концов проект пришлось закрыть.

Позднее было еще несколько разработок, но свое бурное развитие экзоскелеты получили только в начале 21 века. Одним из первых реальных применений подобных устройств стала реабилитация ходьбы у пациентов с инсультом и травмами спинного мозга. Ранним примером стал экзоскелет компании Lokomat. Устройство было создано в 2001 году и до сих пор используется в больницах и реабилитационных центрах по всему миру.

Параллельно велась разработка нескольких моделей для промышленного использования. Первые такие пассивные системы (без приводов) были представлены в 2014 году.

Сегодня разработкой экзокостюмов занимаются несколько исследовательских лабораторий по всему миру, а их применение охватывает множество сфер: медицины, армии, спорта, судостроения и т.д.

Типы экзоскелетов по принципу действия

Активный экзоскелет – это механизм, который оснащен дополнительным источником энергии. Одним из успешных примеров активного экзоскелета является ReWalk. Бионический экзоскелет позволяет людям с параплегией стоять, ходить и подниматься по лестнице без посторонней помощи. Система весит около 23,3 кг и работает от аккумулятора, который находится в рюкзаке. Модель управляется при помощи дистанционного пульта, который надевается на запястье и распознает движения пользователя с помощью датчиков.

Пассивные модели работают преимущественно за счет использования рычагов и противовеса и не предполагают наличие приводов. Они просто перераспределяют нагрузку на разные части тела и работают без всякой электроники.

В попытке еще больше уменьшить ограничения, которые могут быть вызваны размером, весом и большой жесткостью устройства, в последние пару лет появилась концепция экзокостюмов. Эти легкие роботизированные механизмы изготавливаются в основном из текстиля и могут носиться как одежда. Они обеспечивают поддержку с помощью приводных тросов, встроенных в текстиль, или легких пневматических приводов, расположенных на суставах.

Активный экзоскелет представляет собой подвижный каркас из углепластика или других прочных, но легких материалов, который приводится в движение сервоприводами с помощью пневматики или гидравлики. В наиболее подвижных частях конструкции устанавливаются резистивные ЭМГ-датчики или датчики мышечной активности.

Когда пилот костюма сгибает какой-либо сустав, датчики считывают телеметрические данные и передают их в виде электрического сигнала на микроконтроллер. На основе анализа этих данных компьютер формирует сигнал управления и мгновенно приводит в действие силовые поршни сервоприводов.

Где применяются экзоскелеты уже сейчас

Разработки нейробиологов для реабилитационной медицины позволили сделать огромный шаг в области производства экзоскелетов для людей с ограниченными возможностями. За последнее десятилетие было разработано несколько видов медицинских устройств, предназначенных для восстановления утраченных функций конечностей после травм и ускоренной реабилитации пациентов после операций.

В России одна из самых известных компаний, работающих в этом направлении, — ЭкзоАтлет. Разработка компании предназначена для вертикализации и ходьбы пациента с нарушениями локомоторных функций нижней части тела.

Устройство крепится к телу человека и формирует естественный паттерн ходьбы, позволяя снизить нагрузку на травмированные конечности. Спустя время мозг пациента формирует определенную модель движения и начинает воспроизводить ее уже самостоятельно.

Еще одна категория – модели для поднятия тяжестей. Такие устройства способны принимать на себя до 90% веса поднимаемого груза, снимая напряжение с рук, спины и поясницы. Механизмы для поднятия тяжестей также могут быть пассивными и активными.

Пассивные механизмы обеспечивают плавность движений и снимают нагрузку с опорно-двигательного аппарата рабочих, а активные, за счет приводящих моторов, могут увеличивать силу оператора до 20 раз, то есть берут на себя большую часть физических нагрузок. В обоих случаях эти устройства являются своего рода «броней» для укрепления скелета и мышц человека.

Промышленные экзоскелеты позволяют увеличить время непрерывного выполнения операций за счет снятия основной нагрузки с определенной группы мышц. Это, в свою очередь, позволяет ускорить все логистические процессы, а также повысить общую безопасность на производстве.

Промышленные устройства бывают разных видов и могут усиливать разные группы мышц. Одни модели призваны помочь работникам, которые проводят много времени с высокоподнятыми руками, другие – помогают нивелировать вес используемых инструментов, третьи – поддерживают мышцы спины в трудных положениях.

Одним из ярких примеров промышленных моделей является экзоскелет Enforcer от российской компании ExoMed. Костюм оснащен интеллектуальной системой управления и позволяет воспринимать на себя до 90% веса груза при максимальной грузоподъемности до 80 кг. Его модульная конструкция включает в себя гравитационные компенсаторы и модуль подъема груза с электроприводом.

Существуют также отдельные виды моделей для помощи спасателям при разборах завалов рухнувших зданий. В первую очередь такие устройства призваны защищать спасателей от падения обломков.

Многие ведущие строительные компании мира уже сегодня внедряют экзоскелеты на свои производства. Например, южнокорейская судостроительная компания «Daewoo Shipbuilding» оснастила работников своей судоверфи силовыми экзоскелетами. Устройство работает в тандеме с рабочим и используется, как усилитель его возможностей при погрузочно-разгрузочных работах. Вес модели около 28 кг. Экзоскелет имеет встроенную батарею, запаса которой хватает примерно на 3 часа для непрерывного поднятия грузов весом до 30 кг.

В военной сфере роботизированные носимые комплексы необходимы для повышения мобильности тактических групп и пеших подразделений. С экзоскелетом боец практически не испытывает усталости и не теряет маневренности на поле боя. Помимо своего основного предназначения, экзоскелет в составе амуниции бойца может выполнять функции электрогенератора или каркаса для крепления модулей бронезащиты.

В настоящее время российские предприятия работают над прототипами устройств активного и пассивного типов, а некоторые из них уже стоят на вооружении. Например, пассивные модели, предназначенные для решения малоподвижных задач, успешно используются военнослужащими инженерных войск.

Ходьба и бег требуют особого подхода в создании экзоскелетов. Нагрузка на мышцы и суставы может отличаться в зависимости от интенсивности и скорости движения человека, поэтому здесь нужна полностью автономная система. Модели, облегчающие ходьбу, могут стать хорошим подспорьем для людей, которые много времени проводят на ногах: почтальонов, курьеров, работников торговли.

Первый активный экзоскелет для бега был разработан в Гарварде в 2019 году. Экзоскелет состоит из нескольких отдельных элементов, которые крепятся на бедрах, спине и талии.

В задней части костюма располагается электромотор с тросовыми приводами. Встроенный микроконтроллер отслеживает движения человека на основе колебаний потенциальной энергии, поступающих от встроенных датчиков и автоматически переключает режимы между двумя типами движения: бег или ходьба. Когда человек делает шаг, трос автоматически натягивается с помощью электромотора и облегчает работу мышц.

Существуют и более легкие пассивные системы. Инженеры из университета Вандербильта разработали компактный экзоскелет для лодыжки, который можно легко спрятать под штаниной. Устройство не требует источника энергии и основано на механическом принципе. Голень соединяется со стопой через пружину и при шаге вперед голень тянет стопу, облегчая подошвенное сгибание голеностопного сустава.

В ближайшее десятилетие эксперты прогнозируют бурное развитие производства экзоскелетов для всех сфер промышленности, и их активное внедрение в военной и медицинской сфере. С учетом общей тенденции к компьютеризации и роботизации производств, большинству предприятий требуется полная реконструкция процессов. Зачастую это требует существенных затрат.

В этом смысле внедрение экзоскелетов можно рассматривать как некий компромисс, который устраняет необходимость в полной автоматизации и выгоден с экономической точки зрения. Экзокостюмы позволят облегчить ручной труд, повысить безопасность и эффективность выполнения задач.
Производство экзоскелетов
Экзоскелет – дорогостоящее в разработке высокотехнологичное роботизированное устройство, которое проходит долгий путь от формирования технического задания до выпуска сертифицированного устройства и требует особой точности в проектировании и создании всех деталей и узлов.

Сегодня в области производства экзоскелетов действует большое количество отечественных и международных стандартов, которые закладывают основы проектирования и изготовления изделий.

Наряду с зарубежными компаниями, в России производство экзоскелетов растет внушительными темпами, а разработкой занимаются уже более десяти отечественных производителей.

В настоящее время на рынке представлено множество моделей стоимостью от нескольких тысяч до десятков миллионов рублей. Да, разница действительно огромна. Но и возможности экзоскелетов сильно отличаются. Например, самый простой пассивный экзоскелет для разгрузки мышц спины можно приобрести за 10-20 тысяч рублей, тогда как стоимость некоторых реабилитационных моделей может достигать 10 миллионов рублей. И это в России. Стоимость зарубежных моделей на порядок выше. Механизмы для военной сферы по ряду субъективных причин могут стоить еще дороже.

Еще недавно экзокостюмы казались нам предметом из будущего, вещью, которую можно увидеть только в одном из фильмов вселенной Марвел, а сегодня они уже внедряются на ведущие производства мира, вовсю задействуются армией и помогают людям встать на ноги. Современные модели экзоскелетов можно применять практически в любых отраслях жизни человека, где необходима дополнительная сила, и развитие этого направления сегодня уверенно входит в широкое русло.