или войти через:
Ваша корзина пока пуста
favorite_border
Доступно только зарегистрированным пользователям

Экзоскелет. Прошлое, настоящее и будущее суперкостюмов

schedule 23.10.2016 в 08:50 link экзоскелет аналитика статистика итоги
Содержание:

Введение

На протяжении всей нашей истории человеку всегда не хватало силы, чтобы поднимать тяжелые предметы, обладать большей силой удара и выносливостью. Но благодаря науке и технике люди всё же смогли увеличить свои силовые возможности. Так появились экзоскелеты – специальные костюмы, увеличивающие силу человека посредством внешнего каркаса.

Особенностью этих устройств является их легкость и способность механически повторять все движения человека. Согласитесь, это большое и значимое достижение в современных технологиях, которое находит применение в медицине, военных целях, в местах с радиационной опасностью, строительстве и промышленности.

С помощью экзоскелета солдат может нести больше оружия на себе, он в значительной степени защищен от вражеских пуль, быстрее и активнее в своих движениях. Поскольку основные силы костюм берет на себя, человек сохраняет больше энергии и, конечно, свое здоровье.

А подумайте только, настолько экзоскелет полезен в медицине! Это просто находка для инвалидов, которые полностью потеряли веру в то, что смогут снова ходить, а парализованные смогут двигать своими конечностями силой мысли, будучи в специальном костюме.

Поскольку экзоскелеты – устройства универсальные, их можно применять в любых отраслях жизни человека, где необходима дополнительная сила. Вы их можете встретить в научно-фантастической литературе, комиксах, видеоиграх и фильмах («Чужие», «Железный человек», «Аватар» и другие).

Несмотря на то, что экзоскелеты уже используются людьми в различных ситуациях, они все ещё развиваются, требуют усовершенствования в лабораториях и стоят очень дорого. Давайте посмотрим, какой же путь прошли экзоскелеты с момента их создания и по сей день.

История развития экзоскелетов

Первым изобретателем экзоскелета является российский инженер Николай Ягн, который жил и работал в США, и в 1890-ых запатентовал ряд технологий, которые облегчали ходьбу, бег и прыжки человека. Ягн планировал направить свои разработки в помощь военным.

В 1960-ых годах компания General Electric представила миру разработку костюма Hardiman. Это устройство представляло собой модель современного экзоскелета, который мог поднимать объекты весом до 110 кг, работать на воде, суше и даже в космосе. Но при всех этих высоких стремлениях разработка так и не увенчалась успехом из-за слишком тяжелой конструкции и медленной работы.

В 1970-ых годах югославский ученый Миомир Вукобратович создал экзоскелет с пневмоприводом, который должен был помочь парализованным людям снова встать на ноги. Российские и европейские ученые в последствии брали за основу проект Вукобратовича при создании своих технологий. Так в начале 1980-ых годов появился экзоскелет для инвалидов из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова.

Нехватка энергоносителей, медленное течение научно-технического прогресса, развитие материаловедения и прочих смежных наук значительно тормозило развитие экзоскелетов. И только в 2000-ых появились реальные достижения в этой области.

Ученые из американского агентства научно-военных исследований DARPA в 2007 году создали проект Lady Warrior. Это устройство представляло собой небронированный и невооруженный полный экзоскелет, который должен был только усиливать руки и ноги человека.

Позже в 2008 г компания Cyberdyne представила миру роботизированный костюм HAL, который отличался значительными совершенствованиями, в частности легким корпусом, встроенным компьютером и работой от автономных аккумуляторов, заряда которых хватало на пару часов непрерывной работы. Основное предназначение экзоскелета – помощь инвалидам и парализованным людям.  Как это выглядит, смотрите на следующем видео:



В наше время развитие экзоскелетов всё больше и больше набирает обороты, и такие компании, как Panasonic, Ekso Bionics, Lockheed Martin, DARPA и другие представляют ежегодно свои устройства на выставках, впечатляя всё большей производительностью и технологичными новшествами.

Области применения экзоскелетов

Как вы уже знаете, основными сферами применения экзоскелетов являются военная и медицинская. Но эти устройства весьма полезны также в таких сферах деятельности, как места с радиационной опасностью, или же при покорении океанских глубин, где робокостюм будет легче и эффективнее обычного скафандра, а также при разборе завалов после землетрясения и в строительстве.

Военная сфера применения экзоскелетов

Разработками экзоскелетов в помощь военным в наши дни занимаются многие компании. Это связано с тем, что военная сфера всё больше развивается технологически, и экзоскелеты являются вспомогательным оборудованием для современного солдата, которое обеспечивает его дополнительной силой, выносливостью и безопасностью.

Одной из передовых компаний по производству экзоскелетов для военных является Sacros. Устройство XOS весит до 80 кг и обеспечивает поднятие до 90 кг груза. Это позволяет одному человеку в экзоскелете заменить трех солдат. Отличительной особенностью данного костюма является его подвижность. Последние модели (XOS 2 и 3) позволяют человеку даже играть с мячом. И вы убедитесь в этом, посмотрев устройство на видео:



Но есть и недостатки: внешний источник питания, высокое потребление энергии и чрезмерно высокая стоимость – $ 150 тыс. Впрочем, эти проблемы актуальны практически для всех существующих нынче экзоскелетов.

Нельзя не отметить известный экоскелет от компании Lockheed Martin – HULC (Human Universal Load Carrier). Основу костюма составляют гидравлика и литий-полимерные батареи. Облаченный в экзоскелет пользователь может переносить до 140 килограммов. Предполагается, что солдаты смогут непрерывно использовать HULC в течение 72 часов. Цена этого робокостюма - около 80 тыс. долларов США.



Американская компания Ekso Bionics занимается разработкой таких экзоскелетов, как Exohiker, Exoclimber и Elegs. Первый должен помочь военным переносить груз до 50 кг, при этом сам он весит всего 10  кг. Учитывая наличие небольшой солнечной панели, устройство может работать несколько дней в ясную погоду. Exoсlimber также весит 10 кг и является дополнением к Exohiker, позволяя человеку прыгать и взбираться по ступенькам. В 2010 году был создан Elegs, более известен как Ekso. Это полноценный гидравлический экзоскелет, который позволяет парализованным людям ходить и стоять. Он весит 20 кг и позволяет человеку передвигаться с максимальной скоростью 3,2 км/ ч в течение 6 часов.



Подобные разработки экзоскелетов есть и в России. Например, боевая экипировка «Боец-21». Вес устройства составляет 22 кг. «Боец» не является полноценным экзоскелетом, но включает его элементы, причем в броне  используются нанотехнологии. Поступление устройства на вооружение армии России планировалось в 2015 году, но пока неизвестно, успело ли Минобороны РФ закончить работу над костюмом. Дальнейшей информации о нем больше нет.

DARPA – агентство, занимающееся исследованиями в области робототехники, также представило пару лет назад свой экзоскелет Warrior Web. Устройство представляет собой анатомическую броню для ног, является лёгким, гибким, мягким, и может носиться под обычной одеждой. И хотя аппарат до сих пор не поступил на вооружение армии США, он имеет вполне яркие перспективы.

Кстати, в сентябре прошлого года DARPA протестировало экзоскелет из Гарварда на реальных солдатах в штате Мэриленд. Это устройство отличается системой силовых кабелей для обеспечения механической помощи в добавление к силе притяжения и природным движениям так, что мускулатура пользователя расходует меньше энергии.

Испытуемые носили прототип с полным набором боевого снаряжения на расстоянии до трех миль, в том числе по дорогам с умеренно пересеченной местностью. Во время испытания инженеры контролировали длину шагов солдат и частоту, мышечную активность и расход энергии. Вполне возможно, что в ближайшем будущем данные технологии позволят солдатам ходить на большие расстояния, нести тяжелые грузы с меньшими усилиями, а также сведут к минимуму риск получения травмы.



Экзоскелеты в медицине

Роботизированные костюмы – это настоящее новшество в медицинских технологиях. Пациенты, перенесшие серьезные травмы позвоночника и конечностей, парализованные после инсульта люди могут использовать экзоскелет для улучшения качества своей жизни. Но, конечно, не все могут позволить себе такой терапевтический прибор, так как средняя стоимость медицинского экзоскелета — 90 тысяч долларов США.

Мы уже упоминали об экзоскелете HAL от Cyberdyne. Его назначение — обеспечить возможность ходить людям с ограниченными возможностями. Есть два основных варианта устройства: HAL-3 и HAL-5. С момента презентации в 2011 году 130 медицинских институтов Японии приняли HAL на службу.

Новейшая модель костюма весит около 10 кг и работает на протяжении 3 часов, если нет перегрузок. Специальные датчики снимают показания с биоэлектрических сигналов, исходящих от мышц, и компьютером производится анализ для расчета силы, применяемой сервомоторами. При этом средняя стоимость устройства не так уж и высока - 4200 долларов.

ReWalk от Argo Medical Technologies – ещё один экзоскелет для людей с ограниченными возможностями. В июне 2014 года Управление продовольствия и медикаментов США одобрило данный экзоскелет, тем самым открыв ему дорогу в коммерческое использование. Система весит около 23,3 кг, работает на базе Windows и предоставляет пользователю работу в трех режимах: идти, сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов США. Устройство может непрерывно работать в течение 8 часов.

В 2015 году компания выпустила новую версию аппарата ReWalk Personal 6.0, который получил несколько улучшений в конструкции - скобки для ног стали тоньше, опорные ремни распределяют вес более равномерно по всему телу, а рюкзак, который ранее содержал процессор, был заменен на менее габаритный кейс. Пациент, облаченный в новый ReWalk, сможет полноценно ходить, приседать и даже подниматься по лестнице.



Всё более популярной в медицине становится 3D печать. С помощью 3D принтера можно создать экзоскелет под индивидуальные особенности тела пациента. Так, специалисты компании 3D Systems отсканировали тело одной парализованной пациентки и вместе с Ekso Bionics распечатали экзоскелет, который можно с уверенностью назвать роботом. Он создан для людей, потерявших способность самостоятельно передвигаться на своих ногах. Механизм компенсирует мышечную атрофию или паралич, самостоятельно передвигая нижние конечности человека. Устройство сейчас успешно используется в больницах и реабилитационных центрах США.

В России разработкой медицинских экзоскелетов занимается команда ученых на базе НИИ Механики МГУ. Российский проект экзоскелета для увеличения физических возможностей человека, в том числе для реабилитации людей с нарушениями локомоторных функций называется ЭкзоАтлет. Система управления построена на сигналах головного мозга, электромиограммы и в автоматическом режиме обеспечивает передвижение пациента с повторением максимально естественной ходьбы человека, что позволяет существенно ускорить процесс восстановления двигательной и нервной активности.

Благодаря особой конструкции устройство позволяет перераспределить вес таким образом, чтобы человек-оператор без использования дополнительных двигателей или источников питания смог переносить до 100 кг груза. Вес самого устройства при этом составляет 12 кг. Цена экзоскелета колеблется в пределах $30000.



Одно из последних достижений в области медицинских экзоскелетов – устройство Phoenix от американской фирмы SuitX. При стоимости в $ 40000 разработчики позиционируют его как самый доступный бионический экзоскелет. Аппарат состоит из модуля тазобедренного сустава, двух коленных модулей и модулей ног, которые регулируются под индивидуальные потребности каждого пациента. Параметры ходьбы могут быть настроены с помощью физиотерапевта через мобильное приложение для Android. Устройство очень легкое, всего 7 кг, может работать до 4 часов в режиме непрерывной ходьбы на максимальной скорости 3,2 км/час. Примечательно, что разработчики пытаются как можно больше удешевить свой аппарат, используя недорогие сервоприводы и датчики, и обещают, что уже в 2016 году Phoenix будет доступен по цене до $20000.



Другие сферы применения экзоскелетов

Экзоскелеты находят применения и в других сферах деятельности человека. Их могут носить строители, сотрудники МЧС, пожарные и спасатели.

К примеру, компания ActiveLink, одно из подразделений Panasonic, в 2015 году выпустила серию экзоскелетов под названием Power Loader, которые предназначена для людей, работающих с тяжелыми грузами на складах и в производстве. Power Loader весит 40 кг, позволяет поднимать до 30 кг груза и работает автономно 26 часов. Цена таких экзоскелетов составляет от 5 до 7 тысяч долларов.

Также в эту серию входит выпущенный недавно экзоскелет AWN-03, разработанный специально для поддержки поясницы. Он автоматически распознает движение пользователя при подъеме и держании тяжелых предметов, и посылает сигнал на двигатели для вращения шестерни. Особенности системы в том, что она поднимает верхнюю часть тела пользователя, и в результате уменьшает нагрузку на нижнюю часть спины.

Ещё один новый костюм от Panasonic называется «Ninja» и помогает пользователю ходить и бегать, например, в прохождении по крутым горным тропам и в лесах.



Помимо экзоскелетов на всё тело, всё большей популярностью пользуются ограниченные устройства, предназначенные для выполнения специфических задач. Например, экзостул Chairless Chair от Noonee позволяет сидеть стоя. Устройство подходит для людей, которые проводят продолжительное время, стоя на месте, например, для операторов конвейерной ленты, кассиров, администраторов супермаркетов, охранников. При активации экзоскелета срабатывают амортизаторы, превращающие его в удобное кресло, которое снимает напряжение в мышцах ног и суставах. Каркас Chairless Chair выполнен из алюминия и углеродного волокна весом всего 2 кг. Батарея на 6В обеспечивает устройство питанием в течение 24 часов.



Среди других устройств можно выделить изобретение от канадской компании Port Hope - ARAIG. Это специальный костюм для геймеров. Он позволяет владельцу физически чувствовать отдачу от игры. ARAIG – это куртка, которая состоит из декодера, экзоскелета и искусственной кожи. В экзоскелет встроены вибродвигатели, благодаря которым человек реально ощущает разнообразные игровые эффекты: попадание пуль, ударные волны от взрывов, дождь, дрожание земли под гусеницами танков, и т.п. В воротнике этого необычного устройства спрятаны 6 динамиков. Важно также и то, что ARAIG совместим с любой игровой платформой, а его стоимость не превышает $300.



Экзоскелеты применяются также успешно в космической деятельности. NASA имеет на своей службе экзоскелет Х1, который весит 25 кг, и предназначен для поддержания астронавтов в хорошей физической форме в отсутствии земного притяжения, обеспечивая нагрузку мышцам и связкам.

Настоящее и будущее экзоскелетов

Как и все роботизированные устройства, экзоскелеты на пути к своему совершенству сталкиваются со многими проблемами. Если разобрать традиционный экзоскелет на составляющие, вы получите источник питания, механический скелет и программное обеспечение. И если с двумя последними пунктами всё ясно, то первый представляет серьёзную проблему.

Любой из современных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше устройство работает либо от провода, либо от солнечной батареи. Есть экзоскелеты, работающие на неперезаряжаемых батареях, которые часто приходится менять. В связи с этим разработчики пытаются найти подходящий источник питания для экзоскелетов в виде мощного аккумулятора или, как ни странно, беспроводной передачи энергии. В будущем этот процесс может осуществляться из большого реактора, в том числе и ядерного. Остается только изобрести способ этой передачи.

Когда речь заходит о каркасе, то большинство экзоскелетов созданы из алюминия и стали. Но это слишком тяжёлые материалы, которые в значительной мере снижают эффективность костюма. Обеспечить легкость и высокую производительность экзоскелета могут более легкие и прочные материалы, такие как титан или углеродное волокно. На сегодняшний день это очень дорогостоящие материалы, но надеемся, что в будущем они будут более доступны.

Следующей проблемой экзоскелетов являются приводы. Обычно в конструкции робокостюма используются гидравлические цилиндры. Они достаточно мощные и могут работать с высокой точностью. Но эти цилиндры очень тяжёлые и требуют наличия шлангов и трубок. Решением данной проблемы могут стать пневматические приводы, а также сервоприводы на электронной основе. Эти механизмы будут работать от магнитов, потребляя минимум энергии.

Огромную сложность при создании экзоскелета представляет управление и регулировка движений пользователя. Обычно датчики считывают движения тела человека, и механизм синхронно реагирует на них. Но этого недостаточно. Любое случайное движение может нарушить синхронизацию в управлении, и костюм просто может покалечить пользователя. Поэтому компоненты управления должны заранее обнаруживать случайные движения пользователя вроде чиха или кашля, чтобы не было сбоя в системе.
 
Все больше ученые работают над интерфейсом мозг-машина, позволяющим управлять экзоскелетом силой мысли. Яркий пример тому – недавно разработанный интерфейс мозг-компьютер из Корейского университета и Технического университета Берлина.

Интерфейс взаимодействует с экзоскелетом через специальную шапку на голове пользователя, записывающую ЭЭГ. Так, сигналы мозга считываются и определяют необходимый режим движения. Такая методика позволяет управлять экзоскелетом даже тем пациентам, которые лишены добровольного контроля за своим телом. Это большое достижение, и теперь ученым остается только доработать технологию, чтобы внедрить её в жизнь.

Заключение

Рассмотрев особенности экзоскелетов, отметим, что это настоящее чудо техники, превращающее в реальность вещи, которые ранее были невозможны. Это не только инструмент для получения сверхсилы, но и последняя надежда на самостоятельную ходьбу для парализованного человека. Кроме того, любые задачи в промышленности, строительстве и даже космосе также могут быть решены за счет этих технологий.

Но на пути к массовому внедрению в нашу жизнь экзоскелеты должны преодолеть ряд проблем, в том числе и высокую стоимость. Мы уверены, что в будущем эти устройства будут более доступными  для обычных людей и станут привычным явлением, как компьютеры и мобильные телефоны, обеспечивая нам жизнь на новом технологическом уровне.

Комментарии: