Технологии ближайшего будущего: роботизированные экзоскелеты, костюмы и турбо-шорты
Кто хотел бы бегать в шортах весом пять килограммов? И кто поверит, что в этих бронированных шортах он будет более выносливым и покроет тот же участок за меньшее время? Однако именно этим и может посредничать так называемый экзокостюм из мастерской американских и южнокорейских ученых. Вместе с другими подобными средствами он должен помогать не только здоровым, но и больным.
Фогто: https://123ru.net/
Одень робота
Роботы больше не тяжелые неуклюжие монстры. Достижения в области технологий, материалов и программного обеспечения позволяют нам производить мягких роботов, способных адаптироваться к самым разнообразным условиям. Создаются даже роботы-одежда (называемые в литературе носимыми роботами), которые одеваются аналогично предметам одежды и помогают человеку справляться с физически напряженными задачами. То, что еще недавно было уделом комиксов сомнительного качества, становится реальностью.
Устройства, упоминаемые в литературе как экзокостюмы, представляют собой мягкий вариант гораздо более надежных роботов, за которыми закрепилось название экзоскелет. Роботы-одежда обещают помочь пациентам после тяжелых травм и людям с врожденными дефектами, а также пожилым людям, которые уже с трудом передвигаются самостоятельно. Однако их могут использовать и здоровые люди трудоспособного возраста, которым экзокостюм может облегчить физически тяжелую работу.
На первый взгляд новейший робот-перевязчик напоминает шорты из эластичного материала. Отличается от обычных беговых шорт электродвигателем с блоком управления, аккумулятором и кабелями, прикрепленными к штанам. За исключением привода и аккумулятора, все его компоненты изготовлены из эластичных материалов. Он весит пять килограммов, но очень легкий по сравнению с предыдущими роботами, использовавшимися для аналогичных целей.
Еще одно революционное новшество, которое он приносит, — это возможность двух разных режимов — ходьбы и бега. Американские ученые из Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете и Университета Небраски в Омахе совместно с коллегами из Университета Чанг-Анг в Сеуле разработали эти турбо-шорты.
Как запустить экзокостюм?
Двигатели силовой установки нового экзокостюма приводили в движение трос, прикрепленный к ткани шорт. Затем натяжение тросов помогает естественному движению бедер. Робот фактически сопровождает ногу в ее обычном движении и берет на себя часть работы ее мышц. Таким образом, значительно снижается количество энергии, которую человек затрачивает при движении нижней конечности. Экзокостюмы, которые помогают людям просто ходить, служили и раньше. Они были изготовлены из эластичных материалов и обеспечивали абсолютно плавное и естественное движение. Однако ученые не добились таких успехов в разработке экзокостюмов, которые помогали бы при беге.
Бег требует движений суставов и мышц, которые сильно отличаются от движений при ходьбе. «У вас нет ни малейших проблем с переходом от ходьбы к бегу, но для экзокостюмов это не так просто», — сказал в интервью Gizmodo биомеханик Филипп Малкольм, возглавлявший исследовательскую группу в Университете Небраски. Для экзокостюма нужна специальная система, поддерживающая ходьбу и бег. «Для этой цели мы разработали алгоритм, который определяет, идет человек или бежит. В зависимости от этого робот затем переключается на соответствующий профиль силы, чтобы экзокостюм идеально служил своим целям», — добавляет Малкольм.
Шорты для ходьбы и бега
Прототип прошел сложные испытания, в которых его тестировали здоровые добровольцы, в различных условиях и режимах. Он проявил себя, например, при беге на беговой дорожке, а также при беге в гору. Исследователи измерили расход энергии и сравнили его с передвижением в тех же условиях без экзокостюма. Результаты, опубликованные в ведущем научном журнале Science, не являются ошеломляющими, но все же убедительными и обещают дальнейшие значительные улучшения.
«Мы обнаружили, что экзокостюм снижает потребление энергии при ходьбе на 9% и при беге на 4%», — сказал Малкольм. С другими устройствами, помогающими только при ходьбе или только при беге, пешеход или бегун добился значительной экономии энергии. «Но в нашем случае это все же статистически значимое снижение. Кроме того, у всей системы есть резервы, и поэтому можно ожидать дальнейшего повышения ее эффективности», — добавляет он.
Технология будущего
С экзокостюмом пешеход или бегун чувствует, что теряет от 6 до 8 килограммов в центре тяжести. Учитывая, что сам экзокостюм весит 5 килограммов, разница несущественная. Однако в прототипе не использовались лучшие ни в применяемых материалах, ни в конструкции отдельных деталей. Исследователи работают над легкими композитными моделями экзокостюмов с очень миниатюрным блоком питания. В итоге он должен весить всего 3 килограмма. И это тоже не окончательно.
Большим преимуществом нового экзокостюма является то, что он не предъявляет к пользователю высоких требований. Это требует некоторой подготовки, но это не сложно. При ходьбе и беге человек интуитивно использует инерцию движущихся частей тела, извлекает выгоду из гибкости мышц и сухожилий. Вспомогательные движения экзокостюма иногда могут ослабить этот пассивный драйв, потому что он действует против него. Поэтому важно, чтобы человек и экзокостюм нашли общий язык и работали в гармонии.
В тестах на эффективность участвовали здоровые добровольцы, которые какое-то время тренировались с экзокостюмом. «Этим людям требовалось некоторое время, чтобы адаптироваться к системе и научиться пользоваться ею, — объясняет Филипп Малкольм. «Однако им не понадобились какие-то специальные инструкции по управлению экзокостюмом. Они просто оделись в помещении и какое-то время ходили в нем», — добавляет он.
От промышленности к медицинской койке
Пока у нас есть только общее представление о том, где повсеместно найдут применение экзокостюмы. Например, модель со встроенной опорой для спины может облегчить перенос тяжестей и снизить риск получения травм. Это помогло бы людям с ограниченными возможностями в реабилитации или облегчило бы им передвижение самостоятельно. Однако экзокостюм не позволит парализованным людям ходить или бегать. Это просто своего рода усилитель ног. Сам по себе он не в состоянии обеспечить поддержку парализованному телу и приводить в движение совершенно обмякшие конечности. Однако он оказывается отличным помощником для людей, которые по разным причинам имеют функциональные, но слабые мышцы.
Летом 2019 года бостонская компания ReWalk Robotics начала продавать систему мягких экзокостюмов для реабилитационных клиник. В своем производстве компания использует опыт, полученный в ходе сотрудничества с командой Гарварда. Экзокостюм ExStore был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США в июне 2019 года в качестве физиотерапевтического средства для людей с ограниченными движениями нижних конечностей из-за инсульта. ReStore Exo-Suit помогает пациентам с движением в лодыжках, но работает по тому же основному принципу, что и описанный выше экзокостюм для ходьбы и бега, облегчая движения бедрами.
Помощь парализованным людям
Появление экзокостюмов не означает, что люди прощаются с экзоскелетами. Хотя они значительно более громоздки, чем их легкие эластичные альтернативы, в некоторых отношениях они остаются незаменимыми. Их жесткая конструкция, с которой он прочно соединен, обеспечивает телу необходимую поддержку. Поэтому экзоскелеты позволяют двигаться парализованным людям. Экспериментально удалось даже подключить драйверы экзоскелета к человеческому мозгу.
Мозговая активность ощущается с поверхности головы, подобно записи электроэнцефалографа. Захваченные сигналы расшифровываются мощным компьютером и преобразуются в команды для адекватных экзоскелетных действий. Демонстрация того, на что способны такие экзоскелеты, была замечена на церемонии открытия чемпионата мира по футболу в Бразилии в 2014 году. Торжественные мероприятия тогда проводил Хулиано Пинто, парализованный на нижнюю половину тела. А помог ему экспериментальный экзоскелет, управляемый мыслью.
Американская компания ReWalk производит экзоскелет, облегчающий ходьбу парализованным людям, передвигающимся в инвалидной коляске. Устройство, стоимость которого начинается от 70 000 долларов, позволит людям, парализованным в нижней части тела, ходить на костылях. Пациент управляет экзоскелетом руками. При необходимости запускается предварительно запрограммированный пошаговый ритм. Ходить с экзоскелетом непросто и требует тренировки. Паралитикам особенно сложно координировать свои движения с запрограммированными движениями экзоскелета, да и удерживать равновесие тоже непросто. Тем не менее, ходьба в экзоскелете приносит пользу людям с параличом нижних конечностей, поскольку они подвергают свое тело гораздо более естественной нагрузке. Это положительно отражается, например, на состоянии их кровеносной системы.
На службе у государства
Нет сомнений, что помимо больниц и реабилитационных или физиотерапевтических центров интерес к экзоскелетам проявят и военные. Ведь разработка экзокостюма для ходьбы и бега в Гарвардском институте биологической инженерии имени Висса была поддержана грантовым агентством Министерства обороны США DARPA на сумму 2,6 миллиона долларов.
Причина интереса военных очевидна. Вес снаряжения, которое носят солдаты в ходе боевых действий, постоянно растет, и даже подготовленному профессионалу непросто передвигаться с ним по труднопроходимой местности. Если в гражданской войне Севера против Юга солдаты носили снаряжение и вооружение весом около 30 килограммов, то в конце Великой Отечественной войны пехоте приходилось справляться с 38-килограммовым снаряжением. Сегодня стандартная экипировка морского пехотинца США весит около 50 килограммов. Во время офицерских испытаний военнослужащие должны быть в состоянии пройти в пределах 14,5 км с грузом почти 70 килограммов.
Это не преувеличенное требование, так как во время миссии в Афганистане пехота США шла с грузом около 90 килограммов. При таких характеристиках даже 10-процентная экономия энергии означала бы значительное облегчение для солдата и значительно увеличила бы шансы на успех в сложных миссиях. Экзокостюмы обещают значительно большие преимущества в ближайшем будущем.
Обсудим?
Смотрите также:
