Экзоскелет. Прошлое, настоящее и будущее суперкостюмов
17 февраля 2017
Рубрика: ИТ-ресно.
Автор: .

На протяжении всей нашей истории человеку всегда не хватало силы, чтобы поднимать тяжелые предметы, обладать большей силой удара и выносливостью. Но благодаря науке и технике люди все же смогли увеличить свои силовые возможности. Так появились экзоскелеты – специальные костюмы, увеличивающие силу человека посредством внешнего каркаса.

Особенностью этих устройств является их легкость и способность механически повторять все движения человека. Согласитесь, это большое и значимое достижение в современных технологиях, которое находит применение в медицине, военных целях, в местах с радиационной опасностью, строительстве и промышленности.

С помощью экзоскелета солдат может нести больше оружия на себе, он в значительной степени защищен от вражеских пуль, быстрее и активнее в своих движениях. Поскольку основные силы костюм берет на себя, человек сохраняет больше энергии и, конечно, свое здоровье.

А подумайте только, насколько экзоскелет полезен в медицине! Это просто находка для инвалидов, которые полностью потеряли веру в то, что смогут снова ходить, а парализованные смогут двигать своими конечностями силой мысли, будучи в специальном костюме.

Поскольку экзоскелеты — устройства универсальные, их можно применять в любых отраслях жизни человека, где необходима дополнительная сила. Вы их можете встретить в научно-фантастической литературе, комиксах, видеоиграх и фильмах («Чужие», «Железный человек», «Аватар» и другие).

Несмотря на то, что экзоскелеты уже используются людьми в различных ситуациях, они все еще развиваются, требуют усовершенствования в лабораториях и стоят очень дорого. Давайте посмотрим, какой же путь прошли экзоскелеты с момента их создания и по сей день.

История развития экзоскелетов

Первым изобретателем экзоскелета является российский инженер Николай Ягн, который жил и работал в США, и в 1890-х годах запатентовал ряд технологий, которые облегчали ходьбу, бег и прыжки человека. Ягн планировал направить свои разработки в помощь военным.

В 1960-х годах компания General Electric представила миру разработку костюма Hardiman. Это устройство представляло собой модель современного экзоскелета, который мог поднимать объекты весом до 110 кг, работать на воде, суше и даже в космосе. Но при всех этих высоких стремлениях разработка так и не увенчалась успехом из-за слишком тяжелой конструкции и медленной работы.

В 1970-х годах югославский ученый Миомир Вукобратович создал экзоскелет с пневмоприводом, который должен был помочь парализованным людям снова встать на ноги. Российские и европейские ученые впоследствии брали за основу проект Вукобратовича при создании своих технологий. Так, в начале 1980-х годов появился экзоскелет для инвалидов из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова.

Нехватка энергоносителей, медленное течение научно-технического прогресса, развитие материаловедения и прочих смежных наук значительно тормозило развитие экзоскелетов. И только в 2000-х годах появились реальные достижения в этой области.

Ученые из американского агентства научно-военных исследований DARPA в 2007 году создали проект Lady Warrior. Это устройство представляло собой небронированный и невооруженный полный экзоскелет, который должен был только усиливать руки и ноги человека.

Позже в 2008 году компания Cyberdyne представила миру роботизированный костюм HAL, который отличался значительными совершенствованиями, в частности, легким корпусом, встроенным компьютером и работой от автономных аккумуляторов, заряда которых хватало на пару часов непрерывной работы. Основное предназначение экзоскелета — помощь инвалидам и парализованным людям.

В наше время развитие экзоскелетов все больше и больше набирает обороты, и такие компании, как Panasonic, Ekso Bionics, Lockheed Martin, DARPA и другие представляют ежегодно свои устройства на выставках, впечатляя все большей производительностью и технологичными новшествами.

Области применения экзоскелетов

Как вы уже знаете, основными сферами применения экзо­скелетов являются военная и медицинская. Но эти устройства весьма полезны также в таких сферах деятельности, как места с радиационной опасностью, или же при покорении океанских глубин, где робокостюм будет легче и эффективнее обычного скафандра, а также при разборе завалов после землетрясения и в строительстве.

Экзоскелеты в медицине

Роботизированные костюмы — это настоящее новшество в медицинских технологиях. Пациенты, перенесшие серьезные травмы позвоночника и конечностей, парализованные после инсульта люди могут использовать экзоскелет для улучшения качества своей жизни. Но, конечно, не все могут позволить себе такой терапевтический прибор, так как средняя стоимость медицинского экзоскелета 90 тысяч долларов США.

Мы уже упоминали об экзоскелете HAL от Cyberdyne. Его назначение — обеспечить возможность ходить людям с ограниченными возможностями. Есть два основных варианта устройства: HAL-3 и HAL-5. С момента презентации в 2011 году 130 медицинских институтов Японии приняли HAL на службу.

Новейшая модель костюма весит около 10 кг и работает на протяжении 3 часов, если нет перегрузок. Специальные датчики снимают показания с биоэлектрических сигналов, исходящих от мышц, и компьютером производится анализ для расчета силы, применяемой сервомоторами. При этом средняя стоимость устройства не так уж и высока — 4200 долларов США.

ReWalk от Argo Medical Technologies — еще один экзоскелет для людей с ограниченными возможностями. В июне 2014 года Управление продовольствия и медикаментов США одобрило данный экзоскелет, тем самым открыв ему дорогу в коммерческое использование. Система весит около 23,3 кг, работает на базе Windows и предоставляет пользователю работу в трех режимах: идти, сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов США. Устройство может непрерывно работать в течение 8 часов.

В 2015 году компания выпустила новую версию аппарата ReWalk Personal 6.0, который получил несколько улучшений в конструкции — скобки для ног стали тоньше, опорные ремни распределяют вес более равномерно по всему телу, а рюкзак, который ранее содержал процессор, был заменен на менее габаритный кейс. Пациент, облаченный в новый ReWalk, сможет полноценно ходить, приседать и даже подниматься по лестнице.

Все более популярной в медицине становится 3D-печать. С помощью 3D-принтера можно создать экзоскелет под индивидуальные особенности тела пациента. Так, специалисты компании 3D Systems отсканировали тело одной парализованной пациентки и вместе с Ekso Bionics распечатали экзоскелет, который можно с уверенностью назвать роботом. Он создан для людей, потерявших способность самостоятельно передвигаться на своих ногах. Механизм компенсирует мышечную атрофию или паралич, самостоятельно передвигая нижние конечности человека. Устройство сейчас успешно используется в больницах и реабилитационных центрах США.

В России разработкой медицинских экзоскелетов занима­ется команда ученых на базе НИИ механики МГУ. Российский проект экзоскелета для увеличения физических возможностей человека, в том числе для реабилитации людей с нарушениями локомоторных функций, называется ЭкзоАтлет. Система уп­равления построена на сигналах головного мозга, электро­миограммы и в автоматическом режиме обеспечивает передвижение пациента с повторением максимально естественной ходьбы человека, что позволяет существенно ускорить процесс восстановления двигательной и нервной активности.

Благодаря особой конструкции устройство позволяет перераспределить вес таким образом, чтобы человек-оператор без использования дополнительных двигателей или источников питания смог переносить до 100 кг груза. Вес самого устройства при этом составляет 12 кг. Цена экзоскелета колеблется в пределах 30 тысяч долларов США.

Одно из последних достижений в области медицинских экзоскелетов — устройство Phoenix от американской фирмы SuitX. При стоимости 40 тысяч долларов США разработчики позиционируют его как самый доступный бионический экзоскелет. Аппарат состоит из модуля тазобедренного сустава, двух коленных модулей и модулей ног, которые регулируются под индивидуальные потребности каждого пациента. Параметры ходьбы могут быть настроены с помощью физиотерапевта через мобильное приложение для Android. Устройство очень легкое, всего 7 кг, может работать до 4 часов в режиме непрерывной ходьбы на максимальной скорости 3,2 км/час. Примечательно, что разработчики пытаются как можно больше удешевить свой аппарат, используя недорогие сервоприводы и датчики, и обещают, что уже в 2016 году Phoenix будет доступен по цене до 20 тысяч долларов США.

Другие сферы применения экзоскелетов

Экзоскелеты находят применения и в других сферах деятельности человека. Их могут носить строители, сотрудники МЧС, пожарные и спасатели.

К примеру, компания ActiveLink, одно из подразделений Panasonic, в 2015 году выпустила серию экзоскелетов под названием Power Loader, которые предназначены для людей, работающих с тяжелыми грузами на складах и производстве. Power Loader весит 40 кг, позволяет поднимать до 30 кг груза и работает автономно 26 часов. Цена таких экзоскелетов составляет от 5 до 7 тысяч долларов США.

Также в эту серию входит выпущенный недавно экзоскелет AWN-03, разработанный специально для поддержки поясницы. Он автоматически распознает движение пользователя при подъеме и держании тяжелых предметов и посылает сигнал на двигатели для вращения шестерни. Особенности системы в том, что она поднимает верхнюю часть тела пользователя и в результате уменьшает нагрузку на нижнюю часть спины.

Еще один новый костюм от Panasonic называется «Ninja» и помогает пользователю ходить и бегать, например, в прохождении по крутым горным тропам и в лесах.

Помимо экзоскелетов на все тело, все большей популярностью пользуются ограниченные устройства, предназначенные для выполнения специфических задач. Например, экзо­стул Chairless Chair от Noonee позволяет сидеть стоя. Устрой­ство подходит для людей, которые проводят продолжительное время, стоя на месте, например, для операторов конвейерной ленты, кассиров, администраторов супермаркетов, охранников. При активации экзоскелета срабатывают амортизаторы, превращающие его в удобное кресло, которое снимает напряжение в мышцах ног и суставах. Каркас Chairless Chair выполнен из алюминия и углеродного волокна весом всего 2 кг. Батарея на 6В обеспечивает устройство питанием в течение 24 часов.

Среди других устройств можно выделить изобретение от канадской компании Port Hope — ARAIG. Это специаль­ный костюм для геймеров. Он позволяет владельцу физиче­ски чувствовать отдачу от игры. ARAIG — это куртка, которая состоит из декодера, экзоскелета и искусственной кожи. В экзоскелет встроены вибродвигатели, благодаря которым человек реально ощущает разнообразные игровые эффекты: попадание пуль, ударные волны от взрывов, дождь, дрожание земли под гусеницами танков и т.п. В воротнике этого необычного устройства спрятаны 6 динамиков. Важно также и то, что ARAIG совместим с любой игровой платформой, а его стоимость не превышает 300 долларов США.

Экзоскелеты применяются также успешно в космической деятельности. NASA имеет на своей службе экзоскелет Х1, который весит 25 кг и предназначен для поддержания астронавтов в хорошей физической форме в отсутствии земного притяжения, обеспечивая нагрузку мышцам и связкам.

Настоящее и будущее экзоскелетов

Как и все роботизированные устройства, экзоскелеты на пути к своему совершенству сталкиваются со многими проблемами. Если разобрать традиционный экзоскелет на составляющие, вы получите источник питания, механический скелет и программное обеспечение. И если с двумя последними пунктами все ясно, то первый представляет серьезную проблему.

Любой из современных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше устройство работает либо от провода, либо от солнечной батареи. Есть экзоскелеты, работающие на неперезаряжаемых батареях, которые часто приходится менять. В связи с этим разработчики пытаются найти подходящий источник питания для экзоскелетов в виде мощного аккумулятора или, как ни странно, беспроводной передачи энергии. В будущем этот процесс может осуществляться из большого реактора, в том числе и ядерного. Остается только изобрести способ этой передачи.

Когда речь заходит о каркасе, то большинство экзоскелетов созданы из алюминия и стали. Но это слишком тяжелые материалы, которые в значительной мере снижают эффективность костюма. Обеспечить легкость и высокую производительность экзоскелета могут более легкие и прочные материалы, такие как титан или углеродное волокно. На сегодняшний день это очень дорогостоящие материалы, но надеемся, что в будущем они будут более доступны.

Следующей проблемой экзоскелетов являются приводы. Обычно в конструкции робокостюма используются гидравлические цилиндры. Они достаточно мощные и могут работать с высокой точностью. Но эти цилиндры очень тяжелые и тре­буют наличия шлангов и трубок. Решением данной проблемы могут стать пневматические приводы, а также сервоприводы на электронной основе. Эти механизмы будут работать от магнитов, потребляя минимум энергии.

Огромную сложность при создании экзоскелета представляет управление и регулировка движений пользователя. Обычно датчики считывают движения тела человека, и механизм синхронно реагирует на них. Но этого недостаточно. Любое случайное движение может нарушить синхронизацию в управлении, и костюм просто может покалечить пользователя. Поэтому компоненты управления должны заранее обнаруживать случайные движения пользователя вроде чиха или кашля, чтобы не было сбоя в системе.

Все больше ученые работают над интерфейсом мозг-машина, позволяющим управлять экзоскелетом силой мысли. Яркий пример тому — недавно разработанный интерфейс мозг-компьютер из Корейского университета и Технического университета Берлина.

Интерфейс взаимодействует с экзоскелетом через специальную шапку на голове пользователя, записывающую ЭЭГ. Так, сигналы мозга считываются и определяют необходимый режим движения. Такая методика позволяет управлять экзоскелетом даже тем пациентам, которые лишены добровольного контроля за своим телом. Это большое достижение, и теперь ученым остается только доработать технологию, чтобы внедрить ее в жизнь.

Заключение

Рассмотрев особенности экзоскелетов, отметим, что это настоящее чудо техники, превращающее в реальность вещи, которые ранее были невозможны. Это не только инструмент для получения сверхсилы, но и последняя надежда на самостоятельную ходьбу для парализованного человека. Кроме того, любые задачи в промышленности, строительстве и даже космосе также могут быть решены за счет этих технологий.

Но на пути к массовому внедрению в нашу жизнь экзо­скелеты должны преодолеть ряд проблем, в том числе и высо­кую стоимость. Мы уверены, что в будущем эти устройства будут более доступными для обычных людей и станут привычным явлением, как компьютеры и мобильные телефоны, обеспечивая нам жизнь на новом технологическом уровне.

Источник: www.robotics.ua

Orphus system
В Telegram
В Одноклассники
ВКонтакте