Экзоскелет: технология будущего, ставшего настоящим
ИСТОРИЯ ТЕХНОЛОГИИ
История экзоскелетов началась более века назад в России. В 1889 г. инженер-самоучка Николай Фердинандович Ягн разработал концепцию первого в истории экзоскелета. Его инновационное устройство, названное эластипедом, состояло из сети пружинных механизмов и гидравлических поршней, которые фиксировались на теле пользователя при помощи гибких креплений. Замысел изобретателя заключался в том, чтобы преобразовывать кинетическую энергию движений человека: при ходьбе сжатые пружины должны были накапливать силу, усиливая мышечные усилия за счет обратной отдачи.
Однако амбициозный проект столкнулся с непреодолимыми сложностями. Ограниченные технологические возможности конца XIX в., отсутствие точных расчетов и практического опыта в биомеханике не позволили реализовать задуманное. Конструкция так и не вышла за рамки теоретических эскизов. Интересно, что впоследствии Н.Ф. Ягн полностью сосредоточился на других направлениях, внеся значительный вклад в развитие аппаратов для очистки воды, что частично затмило память о его ранних экспериментах в области экзоскелетов.
Первый физически реализованный прототип экзоскелета появился лишь в 1960-х гг. в результате сотрудничества армии США и корпорации General Electric. Разработанная система Hardiman демонстрировала впечатляющую грузоподъемность — 110 кг при усилии оператора всего 4,5 кг. Однако колоссальный вес конструкции (680 кг) полностью нивелировал это преимущество, делая устройство непригодным для реального использования.
Главным технологическим барьером стала проблема синхронизации движений. Инженеры столкнулись с неконтролируемыми колебаниями механизма, что исключило возможность безопасного тестирования с участием человека. Конструкция использовала двухуровневую систему управления: оператор в ведущем костюме управлял внешним ведомым каркасом. Эта архитектура вызывала критическую задержку отклика — при попытке одновременного движения ног экзоскелет начинал хаотично дергаться, создавая угрозу для оператора.
Дополнительным ограничением стала крайне низкая скорость передвижения — всего 0,76 м/с (2,5 фута/с), что в три раза медленнее естественной человеческой ходьбы. Совокупность этих факторов — непрактичная масса, нестабильная управляемость и недостаточная мобильность — привела к закрытию проекта, надолго затормозившему прогресс в области усиливающих экзоскелетов. Технологиям потребовались десятилетия, чтобы преодолеть инженерные проблемы, с которыми столкнулись создатели Hardiman.
— В России экзоскелеты не так распространены, как во всем мире, но технология эта очень перспективная. Применяется она в первую очередь в медицине, потом в инженерии и в других вспомогательных целях, например в видеосъемках, где операторам нужно долго держать тяжелые инструменты. Мы же хотим сделать повседневные экзоскелеты, которые человек сможет носить каждый день, записывать свои физические и психофизиологические параметры, сводить это все в единый график и смотреть, как одно коррелирует с другим.
Мы инженеры-эргономисты, так что в основе наших разработок лежат антропометрия, биомеханика и психофизиология вкупе с теоретической механикой, программированием, математическим анализом. Мы делаем экзоскелет, который учитывает естественные человеческие перемещения, движения и т.д. И он никак не сковывает человека и располагается на теле таким образом, что не создает каких-то препятствий движению. То есть в нем можно разбежаться, запрыгнуть на какой-то высокий предмет и т.д. И мы туда интегрируем программно-аппаратные комплексы, позволяющие считывать физические и психофизиологические параметры. То есть мы еще разрабатываем софт, пишем программы для микроконтроллеров и проводим тестирование на людях.
Основная работа идет по двум направлениям. Первое — сделать корректирующий экзоскелет. Человек может надеть его на себя, пройтись по специальному треку, и экзоскелет скорректирует походку, а специальная программа скажет, как человеку выгоднее расходовать свои ресурсы. Рекомендации, которые сможет выдать наше устройство, продлят ресурс человеческой жизни. А второе направление — активная работа по интеграции экзоскелетов для детей с ДЦП для реабилитации, восстановления и передачи врачам объективного контроля процесса восстановления. Но используется тот же самый экзоскелет, просто он настраивается под детей, и далее врач записывает уже всю статистику того, как меняется состояние ребенка.
Нам в научной работе приходится анализировать и предугадывать движение тела человека. То есть фактически не экзоскелет шагает за вас и не вы шагаете с помощью экзоскелета, а происходит синхронное движение. Для того чтобы это происходило синхронно, нужно предсказывать движение на основе триггерных параметров. Нужно правильно настроить реакции системы на те или иные воздействия, потому что у всей механики есть моменты инерции, передаточные числа и т.д. То есть нельзя, чтобы это все работало отрывисто.
Наш долгосрочный план — продлить человеческую жизнь с помощью внешнего устройства. Даже тем, кто живет на природе, не в городской среде, такое устройство тоже поможет не расходовать ресурсы своего позвоночника, суставов. Оно сможет решать и обратную задачу, когда вы недозагружены: вы сможете добавить себе несколько килограммов сопротивления и ходить, тренируясь целый день.
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ
Почему экзоскелеты, несмотря на более чем столетнюю историю развития технологии, до сих пор не стали предметом обихода? Дело в том, что инженеры сталкиваются с рядом сложностей, замедляющих прогресс в этой области.
Одна из главных проблем — создание компактного и надежного источника энергии. Для полевых условий, где невозможно подключение к внешним сетям, требуются автономные решения. Аккумуляторы нуждаются в частой замене или подзарядке, а также склонны к перегреву. Большинство систем с использованием аккумуляторов остаются громоздкими. Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают высокую мощность, но выделяют выхлопные газы и требуют постоянной заправки.
Материалы каркаса
Первые модели изготавливались из стали и алюминия, но их вес снижал эффективность устройств. Современные композитные материалы (стекловолокно, углеродное волокно) сочетают легкость и прочность, однако их производство дорого и технологически сложно. «Мягкие» экзоскелеты на основе эластичных тканей решают часть проблем, но пока не обеспечивают достаточной поддержки.
Приводы и управление
Создание компактных и мощных приводов для суставов остается вызовом. Пневматические и гидравлические системы обеспечивают силу, но требуют сложной инфраструктуры. Электрические сервоприводы точнее, но потребляют много энергии. Попытки имитировать биомеханику человека сталкиваются с трудностями в синхронизации движений и тактильной обратной связи.
Адаптация к анатомии
Человеческое тело обладает уникальной гибкостью, которую сложно воспроизвести в жестких конструкциях. Например, шаровые суставы (плечи, бедра) и позвоночник с множеством степеней свободы требуют сложных инженерных решений. Даже небольшие погрешности в выравнивании экзоскелета приводят к дискомфорту и травмам. Индивидуальная настройка под параметры пользователя возможна, но делает массовое производство нерентабельным.
Безопасность и стандарты
Несмотря на потенциал снижения физических нагрузок, экзоскелеты несут риски: смещение центра тяжести увеличивает вероятность падений, а ограниченная подвижность мешает быстро реагировать на внешние угрозы. К 2023 г. единые международные стандарты безопасности для таких устройств все еще разрабатываются, что тормозит их внедрение в промышленности и медицине.
— В наши дни существует несколько направлений в экзоскелетостроении: медицинская роботоэкзоскелетотехника, промышленная экзоскелетотехника, спортивные экзоскелетные системы и специализированные экзоскелеты военного назначения.
Промышленные экзоскелеты уже сейчас применяются на реальных площадках горного кластера, легкой промышленности, пищевой промышленности, в складских работах, логистике. Некоторые из изделий позволяют снизить нагрузку на нижние конечности человека, другие — защищают поясничный отдел позвоночника при наклонах с грузом. Существуют и экзоскелеты для верхних конечностей, которые поддерживают руки при выполнении работ на потолке.
Медицинские экзоскелеты применяются как реабилитационные комплексы для нижних конечностей, хотя и для верхних есть несколько разработок. Хотелось бы здесь выделить экзоскелет ассистирующего типа, который позволяет человеку с полной потерей возможности ходить перемещаться в пространстве, сохраняя при этом свободными руки. На наш взгляд, создание таких экзоскелетов — это важный вызов XXI в. От его решения зависит будущее многих людей с повреждениями опорно-двигательного аппарата.
Здесь выделилось несколько направлений разработок. Есть экзоскелеты, которые обеспечивают движение нижней конечности в сагиттальной (то есть продольной) плоскости. Но при этом все еще требуется помощь каких-то устройств, костылей или же просто ассистента, который поддерживает человека и позволяет сохранить вертикальный баланс. Мы пошли по другому пути и используем движения экзоскелета и пациента в двух плоскостях, то есть сагиттальной и фронтальной, что позволяет имитировать походку здорового человека.
Так, по сути дела, рождается некоторый аналог искусственного вестибулярного аппарата. Бортовой вычислительный модуль постоянно контролирует давление пациента на ту или иную опорную стопу, используя информацию из других датчиков, в том числе наклон корпуса и т.д. При таком подходе у человека остаются свободными руки, что очень важно. Он может выполнять бытовые, технологические задачи, но при этом свободно перемещаться и ходить.
Наша цель — расширить функциональные возможности врача-реабилитолога в плане подбора и совершенствования реабилитационных упражнений для людей, в том числе с ампутациями, повреждениями опорного двигательного аппарата, травмами и т.д.
— При разработке экзоскелетов есть много нюансов, которые нужно учитывать. С одной стороны, это носимая конструкция, и она должна быть максимально легкой. Да, экзоскелет стоит на своих ногах и не висит на человеке, как рюкзак, например, но чем легче экзоскелет, тем проще им управлять. А с другой стороны, это медицинское оборудование, которое должно прослужить пять лет в режиме нон-стоп. И третий нюанс, связанный именно с медицинскими изделиями, для клиник, — это вопрос регулировок. К сожалению, сделать пять типоразмеров, как у одежды, и сказать, что она всем подойдет, нельзя. Это так не работает. Все шарниры экзоскелета и человека должны точно соответствовать друг другу. И приходится закладывать в экзоскелет очень большой диапазон размеров, решать много инженерных интересных задач: как это реализовать, чтобы все поместилось, чтобы оно не добавляло веса и чтобы этим мог пользоваться любой человек, и делать это быстро, и чтобы все оставалось безопасно, даже если кто-то допустит ошибку. Тут мы смогли все сделать очень хорошо — на перенастройку уходит две-три минуты. И, конечно же, ключевым моментом выступает правильный паттерн ходьбы: когда ты учишь человека ходить заново, его надо учить ходить правильно. Математическая модель, которая позволяет гибко настраивать ходьбу, так, чтобы она была идентичной ходьбе здорового человека, — еще одна причина для нашей гордости.
Мы занимаемся разработкой, производством, продажей и обслуживанием медицинских экзоскелетов, рассчитанных на людей, которые по каким-то причинам не могут ходить. Как правило, это парализация нижней части тела, то есть травма спинного мозга. Когда мы только начали создавать свои первые экзоскелеты, была задача сделать замену инвалидной коляске. То есть чтобы человек мог все время ходить в экзоскелете и ему было комфортно. Но когда мы больше погрузились в эту тему, стало понятно, что развернуться у себя в квартире, в машине, имея на себе какую-то дополнительную, даже очень минималистичную, конструкцию, достаточно неудобно. Попробуйте в горнолыжных ботинках или, например, с рюкзаком залезть в машину — это некомфортно.
И разработки все больше начали уходить в сторону экзоскелетов-тренажеров. Ты ходишь в экзоскелете какое-то время, час-два в день. Это дает хороший реабилитационный эффект, для человека очень важно вертикализироваться. Организм по-своему оптимизирует свою работу. То, что не используется, начинает сильно деградировать. Для парализованных людей это оказалось одним из наиболее реально важных и ключевых моментов.
Потом мы стали чуть расширять круг нозологий, в него стали попадать люди после инсульта, с рассеянным склерозом, потом пошли еще дальше — в сторону детей с ДЦП. Их реабилитация — в целом достаточно благодарное занятие, потому что у них есть очень много шансов пойти самим. И здесь как раз нужно не упустить тот момент, когда человеку надо дать возможность ходить, потому что он потом это движение запоминает. Я сам как разработчик не так часто бываю на выездах в клиниках, только когда создаем новые модели. Для меня в свое время было шоком, когда мы пришли тестировать в первый раз девочку, она сидела всю свою жизнь в кресле, не ходила ни разу. Такая крохотная, тоненькая. Мы ее поставили в экзоскелет и ходили с ней минут 40. На следующий день мы приходим второй раз, смотрим, а она уже ходит в подвесе и сама переставляет ноги! Она еще вчера не знала, как это делать. Ей просто надо было показать.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на десятилетия технических сложностей — от громоздких источников питания до проблем с адаптацией к анатомии человека, — технология экзоскелетов демонстрирует впечатляющий прогресс. Сегодня эти устройства перешли из категории экспериментальных проектов в реальные инструменты, меняющие жизнь людей. Успехи в материаловедении (углеродное волокно, гибкие полимеры), миниатюризации аккумуляторов и внедрении ИИ для управления движениями открывают новые горизонты. Хотя массовому внедрению все еще мешают высокая стоимость, технология, некогда считавшаяся футуристической, становится частью настоящего — от заводских цехов до больниц, а ее потенциал в сочетании с робототехникой и бионикой обещает революцию в медицине, промышленности и повседневной жизни.
Источник: Научная Россия