Медицина, стройка, армия: где сегодня применяют экзоскелеты

Медицина, стройка, армия: где сегодня применяют экзоскелеты

Экзоскелеты не только дают человеку силу и выносливость, но и буквально помогают встать на ноги. РБК Тренды рассказывают, какие роли выполняют робокостюмы

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.

Прототип экзоскелета профессора Али Сейрега из Университета машиностроения Мэдисона, 1970-е годы

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.

Экзоскелет ExoAtlet

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.

Медицина, стройка, армия: где сегодня применяют экзоскелеты

Экзоскелет «Компаньон» (Фото: symbionix.ru)

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.

Американская Trexo Robotics разработала экзоскелеты для детей с ограниченными возможностями. Функция индивидуальной регулировки делает Trexo универсальным инструментом, помогающим самостоятельно передвигаться детям с церебральным параличом, травмами мозга, повреждениями спинного мозга, параплегией, мышечной дистрофией, синдромом Ретта и другими заболеваниями. Месяц аренды устройства стоит $1 000.

Экзоскелет Trexo Robotics

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.

Медицина, стройка, армия: где сегодня применяют экзоскелеты

Прототип экзоскелета KOMA 1.5 (Фото: atoun.co.jp)

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.

Экзоскелет ProEXO

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.

  • X-Soft — это мягкий экзоскелет, предназначенный для разгрузки спины при наклонах и поворотах с грузом или без него. Он весит всего 1,5-2 кг.
  • X-Arm относится к линейке «тяжелых экзоскелетов» и весит около 10 кг. Благодаря прочным опорам он позволяет нивелировать вес используемых инструментов массой до 40 кг.
  • Модель X-Rise весит около 3 кг, она поддерживает руки во время выполнения манипуляций, которые требуют их длительного удержания на весу.

Медицина, стройка, армия: где сегодня применяют экзоскелеты

Женская модель X-Soft (Фото: exorise.com)

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.

Также на производстве применяется оборудование для сжатия и нагнетания воздуха. Воздушные компрессоры для производства представлены на https://pneumatic-service.com.ua/ 

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 Sarcos Robotics

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.

Экзоскелет EksoVest Bionics

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.

Экзоскелет Lockheed Martin

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.

Медицина, стройка, армия: где сегодня применяют экзоскелеты

Экзоскелет «Ростеха» (Фото: rostec.ru)

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 для ходьбы и бега

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.

Прототип экзоскелета стэнфордских инженеров

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».

Источник