Экзоскелет что это такое и функции
Экзоскелет
Экзоскелет для инвалидов, представляет собой роботизированный аппарат, который применяется для нижних конечностей. Он производится из специального материала, сочетающего в себе легкость и прочность.
В Юсуповской больнице, врачи отдают предпочтение модели экзоскелета HAL (Hybrid Assistive Limb), как одного из лучших экзоскелетов мира. Название в переводе означает «гибридная вспомогательная конечность».
Экзоскелеты в медицине
При упрощении схемы выполнения движений скелетной мускулатуры, в обычных ситуациях сокращение мышц осуществляется с помощью сигналов, которые посылает головной мозг через структуры периферической и центральной нервной системы. При определенных травмах или заболеваниях проведение данных сигналов, как правило, затрудняется и их становится недостаточно, для самостоятельного осуществления движений. Экзоскелет пассивного типа выполняет и поддерживает движение путём регистрации и усиления этих минимальных импульсов в мышцах ног, которых не хватает, чтобы выполнить движения самостоятельно. Специальные моторы в устройстве, выполняют движение конечностей. Они расположены в области коленных и тазобедренных суставов. Таким образом, пациент сам своим желанием и телом обуславливает процесс движения. Это является важным отличием от схожих систем других производителей. После инициирования движения самим пациентом, мозг регистрирует обратную связь от ног. Желание выполнить шаговое движение приводит к сгибанию и разгибанию суставов, изменению положения ног, что в итоге фиксируется мозгом и в результате создается обратная связь согласно схеме «желание и результат». Такие действия ведут к реактивации отделов мозга, которые были затронуты. Такая способность человеческого мозга уметь восстанавливать утраченные связи в результате повреждения называется “нейропластичность”.
Как работает экзоскелет
Главным условием для применения в реабилитации экзоскелетов является наличие каких-либо остаточных двигательных функций в ногах или импульсов, с которыми аппарат сможет работать. Специалисты проводят предварительную оценку возможности применения экзоскелета с помощью современных методов диагностики. В каждом конкретном случае использование этого метода эффективно может применяться при довольно широком спектре заболеваний:
Согласно последним данным исследования и широкому клиническому опыту, у большинства пациентов с наличием травматической болезни спинного мозга, максимальный эффект от использования экзоскелетов для спины наблюдается в течение 1-3 месяцев. Главной целью такой реабилитации является увеличение мышечной массы на нижних конечностях, а также улучшение навыков ходьбы. Научные медицинские исследования показали следующие улучшения при использовании экзоскелетов для нижних конечностей:
Экзоскелет. Реабилитация в Юсуповской больнице
Организм человека устроен таким образом, что любое движение осуществляется с помощью сигналов и импульсов, которые головной мозг посылает с помощью периферической и центральной нервной системы. При наличии различных травм и заболеваний, прохождение этих сигналов становится затруднительным, и они доходят в ослабленном виде или не доходят вовсе. Это очень затрудняет или делает вообще невозможным выполнение любого движения. Действие медицинского экзоскелета направлено на то, чтобы эти ослабленные сигналы головного мозга уловить и усилить, а также поддержать выполнение движения. То есть, пациент сам инициирует движение, выполняя его при поддержке устройства экзоскелета. Таким образом, восстанавливается, тренируется и создаётся бесперебойная обратная связь сигналов головного мозга и движений.
Реабилитация с помощью использования пассивного экзоскелета подходит пациентам как в хроническом периоде, так и в остром. Специалисты Юсуповской больницы утверждают, что самым главным и важным условием для прохождения успешной реабилитации на экзоскелете для инвалидов является наличие остаточного прохождения импульсов в ноги, которые сможет поддержать устройство экзоскелет. Перед назначением использования экзоскелета, специалисты Юсуповской больницы проведут оценку прохождения импульсов. Врач подберёт необходимую модель, основываясь на данных диагностики. На современном рынке представлен широкий выбор российских экзоскелетов. Цены на экзоскелет в России начинаются от 6 млн рублей. В Москве экзоскелет можно приобрести в ортопедическом магазине. Записаться на приём к специалисту, чтобы подобрать экзоскелет, можно круглосуточно по телефону Юсуповской больницы.
Экзоскелеты на службе у человека
Экзоскелеты увеличивают силу человека, повышают производительность и возвращают утерянные способности. Они помогают инвалидам, облегчают труд в промышленности и совершенствуют армию.
Что такое экзоскелет
В дословном переводе с греческого экзоскелет – это внешний скелет. Автоматическая конструкция, которая восстанавливает утраченные или усиливает имеющиеся функции тела.
Он состоит из прочного каркаса и приводов, которые отвечают за перемещения. Такие системы дублируют работу опорно-двигательного аппарата, рассчитывают усилия и безопасность движений.
Экзоскелеты делают пассивными и активными. Первые не увеличивают силу и не забирают на себя физическую нагрузку, а распределяют её по телу. У активных моделей есть свой упор на земле. Они берут часть нагрузки на себя. Так пользователь поднимает больше тяжестей – получается эффект увеличения силы.
Первые экзоскелеты
Идеи о костюме, который повышает способности, зародились в фантастике. Принципы на эту тему сформулировал русско-американский инженер-механик Николай Ягн. Правда, дальше теории дело не пошло. Единственная воплощённая задумка – автоматический прибор, подающий воду в паровые котлы – «Друг кочегара».
Первый экзоскелет сделали в Пентагоне. Он назвался – Hardiman. Это был станок с большим манипулятором, в который нужно было вставлять руку для управления. Его грузоподъёмность была 110 кг, но Hardiman не принёс серьёзной пользы. Он был слишком большим и тяжёлым (680 кг).
С 1980-х – появились перспективные проекты. В 1990-х началось производство в разных странах. Костюмы по-прежнему были неуклюжими, но приближались к тому, чтобы использоваться в жизни.
Сейчас большая часть экзоскелетов делается для медицины, армии или промышленности.
Экзоскелеты для инвалидов
Ekso GT
Экзоскелет для реабилитации после инсульта и травм спинного мозга. Ekso GT – это пара роботизированных ног с костылями для ходьбы. Встроенное ПО собирает статистику о том, сколько энергии уходит на каждое движение робота, а какие действия человек выполняет сам.
Hybrid Assistive Limb (HAL)
Есть для ног (HAL 3) или для рук-ног-торса (HAL 5). Помогает поднять груз в 5 раз больше, чем может человек. Нужен для реабилитации парализованных. Приводы этого экзокостюма работают от импульсов мускул. Кроме людей с проблемами здоровья, HAL полезен пожилым, строителям, работникам МЧС.
Скелет для людей с дисфункцией ног. Он помогает ходить, вставать, садиться, подниматься по лестнице, двигаться назад и даже делать «лунную походку». Пользователь управляет им с контрольной панели и джойстика.
REX может убрать осложнения, связанные с долгим пребыванием в инвалидном кресле.
Phoenix
Экзокостюм для свободной ходьбы при параличе ног. Сильно отличается от громоздких моделей прошлого десятилетия по размеру и весу (12 кг). Это возможно из-за использования только двух приводов на бёдрах. Колени поддерживаются в нужном положении за счёт систем натяжения.
eLegs
Экзоскелет для людей с параличом или нарушениями работы ног. Масса – 20 кг. Подходит для человека с ростом 157-193 см. Скорость движения – около 3 км/ч.
Костюм предугадывает действия за счёт датчиков наклона, например, помогает встать с инвалидного кресла, когда пользователь подаётся вперёд и опирается на костыли.
ReWalk
Бионический экзокостюм для пациентов с параличом ног. Он помогает стоять, ходить, идти вверх по лестнице. Управление ведётся через пульт в руке.
Военные экзоскелеты
Министерства обороны и военно-исследовательские институты разных стран ещё с прошлого века пытаются разработать лёгкую, простую и прочную систему для солдат.
В Пентагоне этим занимается агентство перспективных разработок DARPA, в России – институты и инженерные бюро, действующие по заказу Минобороны. Схожие проекты ведутся в Китае, Японии, Израиле, европейских странах.
XOS 2
Один из самых известных экзоскелетов для армии. Его задача – увеличение физических способностей солдата. Броня в снаряжение не включена.
Костюм помогает в логистике и штурмах. Он прибавляет сил, достаточных для переноса больших тяжестей, разрушения деревянных брусов и кирпичных стен.
Talos
Это комплексный костюм. У него есть функции брони и системы, увеличивающей силу. Он помогает вести бой со снаряжением до 45 кг. Костюм отслеживает жизненные показатели и даже останавливает кровотечение.
Состав и конкретные характеристики оборудования обычно не публикуются – Talos показывают на тематических выставках с общей презентацией.
ExoHiker
Этот скелет не позиционируется как армейский, но интересен для военных. Его задача – облегчить перенос тяжёлых рюкзаков во время похода. ExoHiker весит 14 кг, но снимает нагрузку 70 кг. На одном заряде без подключения солнечной батареи он проходит 65 км со скоростью около 4 км/час.
Промышленные экзоскелеты
Аппарат для подъёма тяжестей от Hyundai. Он подходит для маломобильных людей, но неудобен из-за больших габаритов. Поэтому основной упор сделан на работу в промышленности. Там, где приходится поднимать до 60 кг.
Chairless Chair
Этот экзостул для тех, кто работает на ногах. Он снимает напряжение в мышцах, когда нужно долго находиться в полуприседе, сидеть на корточках или стоять. Удобно для работы в цеху, на упаковочной линии, кухне, парикмахерской. Аппарат гибкий и подвижный.
Exosuit
Разработка для водолазов, которая помогает выдержать давление воды и низкую температуру на глубине 300 метров. По сути, это усиленный водолазный костюм весом в 240 кг с четырьмя двигателями.
MS-02 PowerLoader
Роботизированный костюм для многих задач. Разработчики предлагают использовать его в спасательных операциях, где нужно поднимать объекты массой до 100 кг.
В системе есть несколько манипуляторов, а в подошвах «ног» расположены датчики. Они анализируют нагрузку на человека в шести векторах и рассчитывают, сколько машинных усилий нужно приложить для помощи.
MAX SuitX
Экзоскелет для грузчиков. Конструкция дублирует опорно-двигательный аппарат, убирая с него часть нагрузки. Она постоянно висит на человеке в деактивированном состоянии, но автоматически распознаёт момент начала работы и включается.
Assist Suit AWN-03
Силовой экзоскелет от Panasonic для складских рабочих. Он закрепляется на плечах, бёдрах и пояснице. Основная задача – убирать нагрузку с позвоночника и мышц спины во время переноса тяжестей.
Российские экзоскелеты
ЭкзоАтлет
Российская разработка для реабилитации пациентов с проблемами ног и спинного мозга. Один из пилотов и амбассадоров ЭкзоАтлета – параолимпийский чемпион по кёрлингу на колясках Виталий Данилов.
Экзоскелет Стоханов
Промышленный экзокостюм от разработчиков из Перми. По расчётам, он увеличивает производительность труда в машиностроительной, строительной и аварийно-спасательной работах в 2-5 раз.
ExoBelt
Пассивный экзоскелет от компании «ЭкзоАтлант». Проект пока в стадии разработки. Предполагается, что он снимет до 40% нагрузки со спины во время переноса тяжестей.
Первым партнёром компании станет «Сбербанк». Экзоскелет будут тестировать сотрудники, которые переносят мешки с золотом и другими ценностями
Экзоскелеты будущего
Индустрия растёт: аппараты уменьшаются в размерах, функции становятся шире. Появляются модели не только для медицины, промышленности или армии:
ARAIG
Экзоскелет-контроллер для геймеров. Он создан не для переноса грузов или повышения способностей. Этот костюм погружает пользователя в игровую реальность: меняет температуру, имитирует попадание снарядов, контакт с землёй и препятствиями.
NASA X1
Костюм, разработанный Североатлантическим Космическим Агентством для космонавтов. Он нужен для работы с большими тяжестями в условиях невесомости.
У аппарата четыре привода на коленях и бёдрах и шесть сочленений. Разработчики планируют добавить ещё. Костюм подходит для работы на МКС и поддержки мышечного тонуса в невесомости – он отправляет данные о космонавтах медикам на Землю.
Медицина, стройка, армия: где сегодня применяют экзоскелеты
Экзоскелет — это мобильный механизм, который работает при помощи системы электродвигателей, рычагов, гидравлики и других технологических решений. Экзоскелеты предназначены для восполнения утраченных функций человека, а также для увеличения силы мышц и расширения амплитуды движений.
Первый прототип экзоскелета создала компания General Electric совместно с армией США в 1960-е годы. Названный «Хардимэн», он весил 680 кг, имел восемь шарниров и два захвата, соединенных гидравлической и электронной сетями. Технологи рассчитали, что экзокостюм поможет человеку поднимать вес около 110 кг, но в реальных тестах разработка себя не оправдала. Когда систему приводили в действие, она выполняла хаотичные движения. Разработки прототипов продолжили.
Сегодня экзоскелеты применяются во многих областях — от медицинской реабилитации до промышленного производства. РБК Тренды рассказывают, какие бывают экзоскелеты и как они работают.
Для реабилитации
Российская компания ExoAtlet предлагает медицинские экзоскелеты для реабилитации пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата и нервной системы в нижней части тела. Они управляются при помощи кнопок, расположенных на костылях, и приводятся в движение благодаря сигналам от датчиков и электромиограммы. Алгоритмы устройства и встроенные приводы повторяют естественную ходьбу человека. ExoAtlet весит около 20 кг, однако пациент не ощущает этот вес, поскольку движения автоматизированы и поддерживаются самой системой. Экзоскелет стоит около ₽4 млн.
Другая российская компания Simbionix представила экзоскелет «Компаньон», предназначенный для восстановления двигательной активности людей с повреждениями спины и нижнего пояса конечностей. Механизм крепится к телу с помощью специальных инструментов, его можно регулировать по ширине и глубине таза, длине бедра и голени. Экзоскелет выдерживает вес до 120 кг и подходит для людей ростом до 2 м. Из-за герметичности его можно использовать при температуре воздуха от минус 30 до плюс 50 °C° и в любых погодных условиях.
«Компаньон» имеет съемный аккумулятор и внешний модуль управления. При активном использовании заряда хватит на три часа, а в пассивном режиме — до пяти часов. Экзоскелет весит 8,5 кг и выполнен из высокопрочного пластика и сплава титана. Он предполагает разные режимы — ходьба, вставание, подъем по ступенькам, приседание. Есть возможность управлять длиной и высотой шага с помощью дистанционного пульта.
Компания утверждает, что устройство эффективно при реабилитации и поддержке людей с мышечной дистрофией, травмами спинного мозга, инсультами, нервно-мышечными и нейродегенеративными заболеваниями, черепно-мозговыми травмами.
Trexo Home управляется с планшета. Экзоскелет позволяет регулировать нагрузку на тело, характер походки, скорость движения и имеет функцию активной помощи мышцам. Его поставляют с обучающими инструкциями.
Нижняя часть Trexo имеет две раздвижные части от бедра до колена и от колена до щиколотки. Ширину бедер тоже можно регулировать, как и высоту опорной рамы.
Для больших нагрузок
Японская компания Aton презентовала несколько прототипов экзоскелета KOMA 1.5, силового костюма, который помогает без усилий подниматься и опускаться, нести тяжелые предметы манипуляторами-руками, поддерживать движение. Благодаря встроенным камерам с искусственным интеллектом экзоскелет обнаруживает и избегает препятствия.
KOMA 1.5 имеет два режима. Первый, «Buggy Mode», позволяет перемещать грузы по гладкой и ровной поверхности, например, внутри склада. Второй, «Two-Legged Mode», предназначен для подъемов с грузом и преодоления препятствий. В этом режиме колеса экзоскелета убираются назад, образуя две ноги с приводом, повторяющие движения ног человека.
В России в 2021 году компания «Ростех — Доверенные платформы робототехнические комплексы» начала выпускать модульные экзоскелеты ProEXO, которые защищают рабочих при тяжелых физических нагрузках. Базовая стоимость комплекса составляет ₽30 тыс.
Такой экзоскелет может быть пассивным — для защиты опорно-двигательного аппарата сотрудника от перегрузок, или активным — со встроенными приводящими моторами, которые берут на себя большую часть физических нагрузок. Он помогает выполнить более 11 производственных операций, в том числе погрузочно-разгрузочные работы. В компании заявили, что «с экзоскелетом 30 кг груза будут ощущаться, как 15 кг».
Для промышленности и ЧС
Российская Exorise предлагает три модели экзоскелетов — X-Soft, X-Rise и X-Arm.
Экзоскелеты Exorise — пассивного типа, так как они работают за счет накопления и отдачи энергии без электрики. С помощью силы гравитации рабочий сам «заряжает» свое устройство. Разработчики заявляют, что экзоскелет можно адаптировать под разные задачи, он износостойкий и жаростойкий. Его предлагают применять в промышленности, при строительстве, на складах, при работе в МЧС.
Для строительства
Экзоскелеты Sarcos Robotics серии Guardian обеспечивают перенос веса из одной части тела на другую при выполнении определенного типа работ. Также они смещают нагрузку с рук на ноги, когда рабочему нужно долго держать руки на весу. Это помогает снизить мышечное напряжение и повысить выносливость работников стройплощадок.
Экзоскелет имеет 24 степени свободы и предупреждающие о препятствиях датчики.
Он оснащен удобным интерфейсом управления, который отображает различные уведомления. Режим «Свободные руки» позволяет оператору заблокировать руки костюма с грузом на весу, чтобы одновременно выполнять сложные задачи своими собственными.
Многие компании выпускают экзоскелеты, обеспечивающие поддержку рук, так как они лучше всего подходят для выполнения задач, связанных с резкой, сверлением и шлифованием поверхностей. Конструкции поддерживают руки и плечи таким образом, что нагрузка от постоянного удерживания тяжелых инструментов уменьшается.
Так, EksoVest Bionics задействовала механизм на пружинах в обеих руках экзоскелета, чтобы человеку было проще удерживать на весу тяжелые предметы. А экзоскелет от компании Levitate Technologies использует систему колесиков с приводами для решения аналогичной задачи.
Для армии
Компания Lockheed Martin разработала для армии США системы ONYX для нижней части тела, которые повышают мобильность и снижают утомляемость. Конструкция уменьшает усилия, прилагаемые при ходьбе и лазании, а также дает солдату возможность переносить на себе больше оборудования, необходимого для выполнения боевых задач. Кроме того, она распределяет ортопедическую нагрузку так, чтобы не травмировался позвоночник.
В России в 2020 также испытали экзоскелет для военных производства корпорации «Ростех». При весе 6 кг устройство позволяет переносить боевую экипировку и вооружение массой до 60 кг. Экзоскелеты уже поставляются в инженерные войска и используются в госпиталях для реабилитации пациентов.
На форуме «Армия-2021» «Ростех» показал первый опытный образец боевого экзоскелета с электродвигателями. Он работает в активном и пассивном режимах. Первый включается, когда солдат перемещается по пересеченной местности или горам. Электродвигатели с датчиками давления в стопах адаптируются под особенности движений человека. В пассивном режиме экзоскелет помогает при передвижении по горизонтальной поверхности с грузом.
Для ходьбы и бега
Группа инженеров под руководством Конора Уолша из Гарвардского университета в 2019 году представила носимый экзоскелет, способный снижать энергозатраты во время ходьбы и бега. Он подтягивает ноги в определенные моменты движения. Во время ходьбы экзоскелет снижает энергозатраты на 9,3%.
Экзоскелет состоит из нескольких связанных между собой частей. Они крепятся на бедрах, талии и плечах. На задней части устройства расположен блок с электромоторами, связанными с двумя тросами. На других концах эти тросы закреплены на бедрах. Когда нога движется назад, трос натягивается с помощью электромотора и облегчает работу мышц.
В 2020 году ученые из Стэнфорда разработали свой прототип экзоскелета, который дает возможность снизить нагрузку на ноги при беге и при ходьбе. Он позволяет снизить затраты энергии на бег уже на 15%.
Экзоскелет крепится к голени при помощи ремней, также он закрепляется на обуви при помощи веревки, которая пропускается петлей под стопой. У экзоскелета есть небольшая поддерживающая углепластиковая платформа, которая размещается под стопой. Он управляется с использованием системы тросов, натягиваемых или ослабляемых внешними электромоторами.
Подобные экзоскелеты позволят облегчить работу курьеров и почтальонов, а также работников других сфер, которым требуется много ходить.
Перспективы экзоскелетов
Бристольский университет работает над мягкой роботизированной одеждой, которая могла бы помочь людям избежать падений, поддерживая их во время ходьбы и давая бионическую силу. Благодаря элементам из графена она будет включать в себя также технологии электрической стимуляции и мониторинга всего тела: суперконденсатор, устройство для электрокардиограммы, мониторинга активности, отслеживания движения глаз, датчик температуры и гибкие нагревательные элементы. Исследователи полагают, что эта технология может в конечном итоге привести к отказу от инвалидных кресел.
«Многие существующие устройства, используемые людьми с ограниченными возможностями передвижения, могут вызывать или усугублять такие состояния, как плохое кровообращение, повреждение кожи или склонность к падению, — говорит доктор Джонатан Росситер, профессор робототехники в Бристольском университете. — Носимая мягкая робототехника может решить многие из этих проблем и в то же время снизить расходы на здравоохранение».