Hybrid Assistive Limb, CYBERDYNE.jpg

Экзоскеле́т (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей[1].

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.[2][3]

По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в России[4][5], Японии, США[6] и Израиле. Экзоскелет может быть встроен в скафандр.

История

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[7].

Экзоскелет ReWalk, разработанный ReWalk Robotics, позволяет парализованным людям ходить. Новая система, по словам исследователей, может применяться пациентами в повседневной жизни[8].

Классификация

Экзоскелеты, созданные на сегодняшний день, или находящиеся в стадии перспективных разработок, могут быть классифицированы по следующим признакам[9]:

  • 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 г.)[10]

В основу предлагаемой классификации положены несколько принципов.

1. По источнику энергии и принципу работы привода:

б) пассивные экзоскелеты;

а) активные экзоскелеты.

2. По точке приложения (локализации):

а) экзоскелет верхних конечностей;

 б) экзоскелет нижних конечностей;

в) экзоскелет-костюм.

3. По стоимости (условно):

 а) низкой стоимости (доступные): 1000—10000 $;

 б) средней ценовой категории: 10000—50000 $;

 в) высокой стоимости — более 50000 $.

 4. По области применения:

а) военный;

 б) медицинский;

 в) промышленный;

 г) космический.

5. По весу конструкции:

 а) легкие — до 5 кг;

 б) средней весовой категории — от 5 до 30 кг;

 в) тяжелые — более 30 кг.

6. По количеству функций:

а) экзоскелеты простого назначения;

 б) экзоскелеты двойного назначения;

 в) экзоскелеты с расширенными функциями.

 7. По мобильности пациента:

а) мобильные;

б) фиксированные (стационарные);

Направления разработок

Эскиз экзоскелета Министерства обороны США.
Экзоскелет в составе концепта «Future Soldier» армии США.
Экзоскелет нижней челюсти
Экзоскелет нижней челюсти.[11]
Hybrid Assistive Limb.jpg

Главным направлением разработок является военное применение экзоскелетов. Этот важный тренд направлен прежде всего на повышение мобильности тактических групп и подразделений, действующих в пешем порядке, за счет компенсации физической нагрузки солдат, обусловленной значительным весом экипировки.[12] 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, которая помимо основного предназначения может использоваться в качестве электрогенератора, хранилища аккумуляторных батарей, каркаса для крепления модулей бронезащиты, средств телекоммуникаций, различного рода сенсоров и датчиков, прокладки линий электропитания и передачи данных, выполнения других функций.[12] В числе таковых заслуживает внимания применение элементов конструкции экзоскелета в роли антенной системы для передачи и приема радиосигналов.[12]

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[13], он направлен на лечение у пациентов дефектов нижней челюсти с возможностью восстановления жевательной функции в ранний послеоперационный период и на этапах реабилитации. Данное устройство[14] впервые предоставляет пациенту не только двигательную активность нижней челюсти, но и компенсирует патологические силы, возникающие вследствие использования аппарата внешней фиксации отломков костей[15][16]. Экзоскелет нижней челюсти на YouTube

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 гг. 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[17], 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[18]).

Некоторые экзоскелеты (Hybrid Assistive Limb, Honda Walking Assist Device) позиционируются как устройства для людей с проблемами опорно-двигательного аппарата[19]. Honda Walking Assist Device был произведен компанией Honda в трёх размерах — малый, средний (масса 2,8 кг), большой.

Разработкой российского экзоскелета под названием ЭкзоАтлет занимается команда учёных из проекта ExoAtlet, первого российского медицинского экзоскелета для реабилитации, социальной адаптации и интеграции людей с нарушением локомоторных функций нижних конечностей. Как заявляют разработчики, такой экзоскелет подойдет не только людям с травмой спинного мозга, но и с последствиями инсульта. В настоящее время создано несколько действующих прототипов изделия. Последняя модификация, ExoAtlet Albert, управляется с костылей и позволяет человеку самостоятельно ходить, садиться, вставать. Со слов руководителей проекта, первые продажи начнутся в 2016 году.

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.

Deus Ex

Компании Deus Ex и Open Bionics совместно выпускают протезы, изготавливаемые на основе технологий 3D-печати. Отличительной чертой протезов данного проекта будет их низкая стоимость.

В научной фантастике

Экзоскелеты часто фигурируют в научно-фантастических[20] произведениях, чаще всего как военная техника — в виде силовой брони или боевого скафандра[21].

В литературе и комиксах