Экзоскелеты – роботизированные костюмы, от протеза до полного закрытого скафандра, которые позволяют людям выполнять действия, либо сложные, либо невозможные. Экзоскелеты различаются по размерам, от легких манипуляторов до гигантских машин (меха).
Изобретателем первого экзоскелета считается русский инженер Николай Ягн. В современности экзоскелеты набирают все большие обороты, благодаря стремительному развитию науки и техники: дают людям сверхчеловеческую силу, возможность ходить – людям с ограниченными возможностями, быстрее передвигаться и даже летать. В идеале нам нужен экзоскелет «Железного человека» из одноименного фильма. В реальности сгодится и рабочий костюм для подъема сотен килограммов без лишних усилий.
Постоянно растущая скорость развития технологий и нейробиологии в сочетании с созданием суперкомпьютеров, усовершенствованных частей тела и искусственных конечностей прокладывает путь к слиянию человека и машины. Не исключено, что мы с вами станем свидетелями становления эпохи киберпанка. Но какими будут люди будущего?
После окончания второй мировой войны население нашей планеты продолжает увеличиваться. Вместе с тем, примерно в 1945 году в мире произошла настоящая научно-техническая революция. Это значит, что человечество перешло к технике и технологиям, построенным на принципиально новых научных идеях. Мы заменили ручные орудия труда машинными, энергию пара атомной, научились применять лазерные технологии, создали компьютеры и интернет. Так, в течение последних 60 лет произошло больше научных открытий, чем за предыдущие столетия. Захватывающе, не так ли?
Экзоскеле́т – устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей.
Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Для определения этих пропорций следует пользоваться понятием анатомическая параметризация.
Анатомическая параметризация – это определение соответствий между различными анатомическими характеристиками строения человеческого тела и параметрами механического устройства, обуславливающих оптимальную работу образующейся при этом биомеханической системы.
По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в России, Японии, США и Израиле. Экзоскелет может быть встроен в скафандр.
Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и ВС США в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего он никогда не проверялся с человеком внутри.
Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял 750 кг, что в два раза превышало подъемную мощность. Без соединения вместе всех компонентов практическое применение проекта Hardiman было ограничено.
Экзоскелет ReWalk, разработанный ReWalk Robotics, позволяет парализованным людям ходить. Новая система, по словам исследователей, может применяться пациентами в повседневной жизни.
Классификация
Экзоскелеты, созданные на сегодняшний день, или находящиеся в стадии перспективных разработок, могут быть классифицированы по следующим признакам: тип исполнительного механизма; наличие привода усиления сочленений; анатомическое расположение усиленных сочленений; наличие встроенного источника энергии; вид используемого силового привода; способ получения управляющего сигнала; тип силовой установки и источника энергии; область практического применения.
Наиболее полную и современную классификацию предложил профессор Воробьев А.А. и соавторы (2015 год). В основу предлагаемой классификации положены несколько принципов:
1. По источнику энергии и принципу работы привода: пассивные экзоскелеты; активные экзоскелеты.
2. По точке приложения (локализации): экзоскелет верхних конечностей; экзоскелет нижних конечностей; экзоскелет-костюм.
3. По стоимости (условно): низкой стоимости (доступные): 1000-10000$; средней ценовой категории: 10000-50000$; высокой стоимости – более 50000$.
4. По области применения: военный; медицинский; промышленный; космический.
5. По весу конструкции: лёгкие – до 5 кг; средней весовой категории – от 5 до 30 кг; тяжелые – более 30 кг.
6. По количеству функций: экзоскелеты простого назначения; экзоскелеты двойного назначения; экзоскелеты с расширенными функциями.
7. По мобильности пациента: мобильные; фиксированные (стационарные).
Главным направлением разработок является военное применение экзоскелетов с целью повышения мобильности тактических групп и подразделений, действующих в пешем порядке, за счет компенсации физической нагрузки солдат, вызванной чрезмерным весом экипировки. Повышение подвижности и скорости человека может также сопровождаться увеличением силы того, кто использует экзоскелет.
Интеграция экзоскелета в экипировку будет сопровождаться превращением его в многофункциональную систему. Помимо своего основного предназначения, он может выполнять функции электрогенератора, хранилища аккумуляторных батарей, каркаса для крепления модулей бронезащиты, средств телекоммуникаций, различного рода сенсоров и датчиков, прокладки линий электропитания и передачи данных Заслуживает внимания применение элементов конструкции экзоскелета в роли антенной системы для передачи и приема радиосигналов.
Другой возможной областью применения экзоскелетов является помощь травмированным людям и людям с инвалидностью, пожилым людям, которые в силу своего возраста имеют проблемы с опорно-двигательным аппаратом.
Для реабилитации пациентов с переломами нижней челюсти был разработан экзоскелет нижней челюсти, он направлен на лечение у пациентов дефектов нижней челюсти с возможностью восстановления жевательной функции в ранний послеоперационный период и на этапах реабилитации. Данное устройство впервые предоставляет пациенту не только двигательную активность нижней челюсти, но и компенсирует патологические силы, возникающие вследствие использования аппарата внешней фиксации отломков костей.
Модификации экзоскелетов, а также отдельные их модели, могут оказывать значительную помощь спасателям при разборах завалов рухнувших зданий. При этом экзоскелет может защитить спасателя от падения обломков.
В наше время большой преградой для начала постройки полноценных экзоскелетов является отсутствие подходящих источников энергии, которые могли бы в течение длительного времени позволить машине работать автономно.
В 1960-е годы компания General Electric разработала электрическую и гидравлическую конструкцию под названием Hardiman, по форме напоминавшую погрузчик-экзоскелет, который лейтенант Эллен Рипли (в фильме «Чужие») использует в финальном бою против матки Чужих, однако при весе в 1500 фунтов (680,4 кг) конструкция была неэффективна.
Рабочие примеры экзоскелетов были построены, но широкое применение таких моделей пока невозможно. Это, например, экзоскелет XOS компании Sarcos, который был разработан на заказ армии США. По заявлениям прессы, машина удачно спроектирована но, из-за отсутствия аккумуляторов достаточной ёмкости, демонстрацию пришлось проводить в режиме работы от сети (ролик с демонстрацией есть на YouTube).
Некоторые экзоскелеты (Hybrid Assistive Limb, Honda Walking Assist Device) позиционируются как устройства для людей с проблемами опорно-двигательного аппарата. Honda Walking Assist Device был произведен компанией Honda в трёх размерах – малый, средний (масса 2,8 кг), большой.
Экзоскелет Raytheon XOS 2
XOS 2 – это роботизированный костюм второго поколения, разработанный Raytheon для армии США. Компания впервые продемонстрировала возможности экзоскелета в своем исследовательском центре в Солт-Лейк-Сити в штате Юта в сентябре 2010 года. Роботизированный костюм увеличивает силу, ловкость и выносливость солдата внутри него. В XOS 2 используется гидравлическая система высокого давления, позволяющая владельцу поднимать тяжелые предметы в соотношении 17:1 (фактический вес к воспринимаемому весу). Это позволяет повторно поднимать нагрузку без усталости или травмы. Агентство перспективных исследовательских проектов обороны США (DARPA) инициировало разработку экзоскелетов в 2001 году в рамках программы Exoskeletons for Human Performance Augmentation. Агентство финансировало 50 млн долларов различным участникам в рамках пятилетней программы. Однако только двое из них активно участвуют в разработке прототипов экзоскелета для американских военных. Система XOS была первоначально разработана как Wearable Energetically Autonomous Robot (WEAR) от Sarcos Research из Солт-Лейк-Сити, штат Юта. Разработка биомеханического робота началась в 2000 году. Компания, основанная в 1983 году, была приобретена Raytheon в ноябре 2007 года. Роботизированный костюм второго поколения XOS 2 использует более легкий материал и примерно на 50% эффективнее, чем XOS 1. Ожидается, что экзоскелет будет весить около 95 кг. Он использует комбинацию контроллеров, датчиков, высокопрочного алюминия и стали, которые позволяют структурам и приводам выполнять задачи. Система XOS 2 оснащена двигателем с гидравлическим двигателем внутреннего сгорания с электрическими системами. Прототип привязан к источнику питания гидравлики с помощью провода. Двигатель управляет гидравлическими приводами. Различные датчики, оборудованные всей системой, определяют положение и требуемую силу.
MS-02 PowerLoader
Проект дочерней компании Panasonic – компании ActiveLink. Применяемые экзоскелеты используются для увеличения силы солдат; также, роботизированные опоры для ног способны помочь парализованным людям ходить, могут использоваться работниками атомных электростанций и сотрудниками МЧС в случае стихийных бедствий. Костюмы ActiveLink разработаны таким образом, что пользователи могут закрепить их и начать работать за 30 секунд или меньше. Приведенные в действие экзоскелеты для реабилитации или других медицинских применений часто используют датчики электрической активности мышцы, которые требуют времени для калибровки.
Экзоскелет компании Nuytco Research Ltd
Твердый костюм позволяет дайверам погружаться под воду на глубину 1000 футов. Экзоскелет сделан из алюминиевого сплава A536. Вес – от 225 килограмм. Максимальное время погружения – 50 часов.
RL Mark VI
Продукт компании Solar System Express. RL Mark VI первоначально позволит погружаться с высоты до 62 миль (100 км) над земной поверхностью на самом краю космоса и приземляться вертикально с использованием гироскопических ботинок вместо парашюта. Этот костюм повысит безопасность и производительность на пилотируемых космических полетах, обеспечит средства для выхода из возможных катастрофических аварий и расширит возможности космического туризма и научных исследований.
Eidos Montreal
Компании Eidos Montreal и Open Bionics в качестве пиар акции игры Deus Ex: Mankind Divided, совместно выпускают протезы, изготавливаемые на основе технологий 3D-печати. Отличительной чертой протезов данного проекта будет их низкая стоимость.
LAEVO exoskeleton
Компания Laevo (Нидерланды) разработала пассивный вариант экзоскелета, в котором используются гидравлические цилиндры. Он предназначен для облегчения выполнения логистических операций и снижает субъективное восприятие нагрузки на 40-50 %. При наклоне туловища или приседании в гидроцилиндрах экзоскелета аккумулируется избыточное давление, которое высвобождается при возвращении тела в исходное положение, создавая в этот момент дополнительное усилие для разгрузки соответствующих мышц. Вес изделия версии V2.4 составляет 2,5 кг, версии V2.5 – 2,8 кг. Гидроцилиндры рассчитаны минимум на 250 тысяч срабатываний в течение 3 лет. Температура окружающей среды в процессе эксплуатации должна быть выше нуля. Экзоскелет получил медицинскую сертификацию «CE – Medical Device Class I».
Российский экзоскелет эндохирурга
В 2019 году волгоградские врачи Александр Воробьев и Федор Андрющенко представили первый эндоскелет хирурга, призванный облегчить выполнение многочасовых эндоскопических операций путем снижения нагрузки с позвоночника и рук хирурга. В конце марта была проведена первая операция с использованием данного экзоскелета.
С самого появления гигантского погрузчика в научно-фантастической классике «Чужие», мысль о том, что силовые экзоскелеты могут позволить рабочим переносить сверхчеловеческие веса, не давала спокойно спать новаторам в сфере тяжелой промышленности. Последние разработки предполагают, что эта идея может наконец-то перейти в реальный мир.
Идея экзоскелетов, или носимых роботизированных костюмов, выглядит очень привлекательно. Поженить силу механической робототехники с навыками и способностями людей, устранив необходимость разработки сложного ИИ для управления роботами.
Насколько сложно создать экзоскелет? В реальности все оказалось не так просто. Люди работают принципиально не так, как машины, поэтому проектирование машин, которые будут следовать принципам наших движений и не ломать наши мягкие и скользкие тела, крайне сложная задача. И чтобы экзоскелеты упрощали жизнь людей, а не добавляли им поводов для беспокойства, они должны быть ненавязчивыми, легкими и адаптироваться к широкому диапазону размеров тела и форм.
Вот почему, несмотря на первые демонстрации еще в 1960-х годах, эти устройства до сих пор редкость на заводах и фабрика. Однако это может измениться.
Первые усилия по выводу экзоскелетов в массы были направлены на то, чтобы помочь людям с ограниченными способностями снова встать на ноги. В 2014 году роботизированный костюм ReWalk с батарейным питанием стал первым, одобренным для медицинского применения FDA. Двигатели в изгибах коленей и локтей помогают людям с параличем конечностей двигаться с помощью костылей. С тех пор еще несколько подобных устройств прошли одобрение для медицинского использования, но при цене порядка 100000 долларов, они не нашли широкого применения.
Новая волна устройств ориентирована на более узкое промышленное применение с упрощенными технологиями и пониженной стоимостью, чтобы было проще начать. EksoVest проходит испытания у BMW и Boeing. EksoZeroG, роботизированная третья конечность, которую можно использоватьд для поддержки тяжелых электроинструментов, также проходит испытания в разных местах в США.
Еще одна компания, усердно развивающаяся в этом направлении, это SuitX. Она производит три разных модели промышленных экзоскелетов для поддержки разных частей тела. LegX за 5000 долларов позволяет пользователям приседать или наклоняться в течение продолжительных периодов времени не уставая, а BackX за 4000 долларов помогает поднимать тяжелые нагрузки. ShoulderX за 4000 долларов поддерживает работу над головой, подобно EksoVest. Костюмы тестировались как Ford, так и Fiat. Chairless Chair от Noonee поддерживает нижний корпус, зафиксированный на месте, поэтому пользователи смогут сидеть «в воздухе» – он был протестирован Audi и BMW.
И это не просто дешевые пассивные технологии, которые готовы к прорыву. Среди паники вокруг перспективы замены людей машинами на множестве рабочих мест, весьма обнадеживает тот факт, что мы можем фактически объединяться с роботами, а не конкурировать с ними.
| 
