В последние годы появилось множество гаджетов и устройств, используемых для реабилитации людей с инвалидностью и облегчения их жизни, повышения мобильности, улучшения физических параметров, сниженных или утерянных вследствие различных заболеваний и травм. Но, пожалуй, наиболее заметным событием стало появление экзоскелетов, которые используются не только в качестве реабилитационного оборудования, но и в быту. Экзоскелеты совершили настоящую революцию в реабилитологии, позволив сделать то, что еще несколько десятков лет назад казалось фантастикой - встать парализованному человеку из инвалидной коляски и вернуть ему способность ходить.

Когда и как впервые появились экзоскелеты? Что они собой представляют? Какие модели экзоскелетов предназначены для людей с инвалидностью? Сколько они стоят? Есть ли такие устройства в России? Давайте попробуем найти ответы на эти вопросы и разберемся с тем, что же это все-таки такое - дорогая игрушка или реально действующие устройства, которые смогут придти на смену инвалидным коляскам.

От боевых роботов до медицинского оборудования

Идея создания экзоскелета принадлежит русскому инженеру-механику Николаю Янгу, который жил и работал в США. В конце 80-х годов XIX века он зарегистрировал несколько патентов по этой теме. Ягн считал, что такое устройство облегчит для человека ходьбу и бег, но в первую очередь экзоскелет, по расчетам изобретателя, предназначался для солдат.

Огромный вклад в развитие экзоскелетов, как это часто случалось со многими изобретениями, внесли писатели-фантасты. Наглядный пример - вышедший в конце 50-х годов прошлого века роман Роберта Ханлайна «Звездный десант», в котором бойцы космического десанта воевали с инопланетными чудовищами в специальных каркасных костюмах, облегчающих их передвижение и переноску оружия и амуниции.

Не удивительно, что первые экзоскелеты разрабатывались для нужд армии. Пионером в этой области стала американская компания General Electric, специалисты которой по заказу министерства обороны США создали в 60-х годах прошлого века экзоскелет Hardiman. Его оператор мог, приложив усилия для подъема 4,5 кг веса, поднять груз весом 110 кг. Однако Hardiman был слишком непрактичным из-за своей огромной массы в 680 кг, что значительно затрудняло его использование. Еще одним недостатком первых экзоскелетов, делающим невозможным их практическое применение, были неконтролируемые интенсивные движения.

Первые разработки экзоскелетов, предназначенных для использования в медицинских целях, начались в конце 70-х годов XX века. Пионером в этой области стал югославский ученый Миомир Вукобратович, разработавший экзоскелет с пневмоприводом, который был предназначен для того, чтобы помочь встать на ноги парализованным людям. Проект Вукобратовича лег в основу экзоскелета для людей с инвалидностью, созданного в начале 80-х годов в Центральном институте травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова.

Несмотря на то, что идея использования внешнего каркаса для усиления мышечной силы человека и использования такого устройства для реабилитации людей с поражением опорно-двигательного аппарата, лежала на поверхности, воплотить эту идею на практике очень долго не удавалось. Несовершенство технологий, недостаток необходимых материалов, отсутствие мобильных источников питания - все это не позволяло создать экзоскелет, который мог использоваться в практической медицине и повседневной жизни людей с инвалидностью. Реализовать эти наработки ученых и инженеров удалось лишь с наступлением XXI века.

В 2008 году японская компания Cyberdyne представила роботизированный костюм HAL, который был предназначен для помощи людям с инвалидностью и парализованным людям. Одними из первых также были созданы экзоскелет ReWalk израильской компании ReWalk Robotics, новозеландский экзоскелет REX компании REX P, американская разработка Ekso Bionics компании Ekso Bionics GT.

Робот с анатомической параметризацией

Что же представляют собой современные экзоскелеты? Термин «экзоскелет» происходит от греч. exo - внешний и skeletos - скелет, т.е. этот термин можно перевести как «внешний скелет». Из-за того, что эта конструкция оснащена множеством электронных устройств, экзоскелеты иногда называют носимыми роботами.

Если не вдаваться в технические нюансы, то экзоскелет можно описать как внешний каркас, который фиксируется на теле человека и позволяет ему передвигаться за счет увеличения силы мышц и расширения амплитуды движений. В некоторых случаях экзоскелет может полностью взять на себя двигательные функции человека, имитируя естественные движения при ходьбе, вставании из положения сидя и обратно и т.п.

Экзоскелет повторяет биомеханику человеческого тела, пропорционально увеличивая усилия при движениях различных его частей. Оптимальная работа биомеханической системы человек/экзоскелет основана на определении соответствий между различными анатомо-физиологическими особенностями человеческого тела и параметрами механического устройства - внешнего каркаса экзоскелета. Эти соответствия между человеческим телом и экзоскелетом называют анатомической параметризацией. Чем точнее и тоньше может быть проведена анатомическая параметризация, проще говоря - подгонка элементов конструкции экзоскелета к телу человека, тем функциональнее и удобнее в использовании он будет.

Управление экзоскелетом осуществляется с помощью джойстика, установленных на корпусе или костылях кнопок, посредством беспроводной связи через смартфон, планшет или компьютер. В зависимости от технических возможностей и программного обеспечения экзоскелет может выполнять команды «встать», «сесть», «идти», «стоять», «повернуться» и т.п. Т.е. нынешние модели экзоскелетов чаще всего управляются заранее заложенными в программу алгоритмами движений, а пользователь лишь следит за поданными командами и при необходимости корректирует движения при помощи контроллеров.

Конструкторы и разработчики экзоскелетов уже сегодня работают над тем, чтобы принципиально изменить управление экзоскелетом и перейти от заранее заложенных в программу алгоритмов движений к выполнению команд пользователя, подаваемых им силой мысли. Т.е. движения экзоскелета будут выполняться так, как это происходит у обычного человека: подается команда от головного мозга к мышцам и происходят различные движения в человеческом теле, в т.ч. перемещение в пространстве. Вот только движения будут выполняться не мышцами, а экзоскелетом. Такая возможность появилась с возникновением интерфейсов мозг-компьютер. Разработкой нейроинтерфейсов и их внедрением в конструкцию экзоскелетов сейчас занимаются многие исследовательские центры, в т.ч. и в России.

В настоящее время медицинские экзоскелеты изготавливаются во многих странах мира, но чаще всего это любительские разработки или прототипы, не попадающие в серийное производство. Полномасштабное производство экзоскелетов, использующихся в реабилитации людей с инвалидностью или в быту, есть в таких странах, как Япония, США, Израиль, Новая Зеландия, Южная Корея, Россия, Китай.

В настоящее время выпускается достаточно большое количество медицинских экзоскелетов, однако далеко не все из них нашли широкое применение в реабилитационной практике и лишь единицы предназначены для использования в бытовых условиях. Давайте рассмотрим наиболее популярные модели современных экзоскелетов.

Компания REX Bionics одна из первых в мире начала выпуск экзоскелетов для людей с инвалидностью. Экзоскелет REX - одна из немногих моделей, которая может использоваться в бытовых условиях.

Модель REX P предназначена для реабилитации и использования в домашних условиях. Можно ее использовать и для передвижения вне дома, но это довольно проблематично из-за значительных габаритов устройства. Рассчитана на пользователей с нарушениями работы опорно-двигательного аппарата, в т.ч. и с высокими поражениями спинного мозга в шейном отделе.

Позволяет идти вперед и назад, повернуться, сесть и встать, стоять на одной ноге, идти по лестнице и по наклонным плоскостям. Высокоемкостной съемный аккумулятор позволяет использовать экзоскелет весь день. Когда пользователь не двигается, заряд батарей не тратится. Управляется с помощью джойстика и кнопок управления. Довольно прост и удобен в управлении. Надевается 5-10 минут.

Вес - 38 кг. Рассчитан пользователей с ростом от 1 м 42 см до 1 м 93 см и массой тела до 100 кг.

Цена - от 8 млн. руб.

Производится американской компанией Ekso Bionics, которая разрабатывает и производит интеллектуальные экзоскелеты различного назначения, в т.ч. и медицинского. Новейшая модель экзоскелета от Ekso Bionics была представлена выставке CeBIT-2017 в Ганновере.

Ekso Bionics применяется для реабилитации пациентов с заболеваниями и травмами спинного мозга, поражениями опорно-двигательной системы, нейромышечными заболеваниями. Конструкция позволяет удерживать тело пациента в вертикальном положении, таким образом, он работает только со своим весом. Оснащен системой стабилизации и поддержки голеностопного сустава. Регулирует угол сгибания тазобедренного и коленного суставов, выбирая наиболее оптимальный.

Отличается довольно компактными размерами: 1,6 м × 0,5 м × 0,4 м. Вес - 21,4 кг. Рассчитан на пациентов с массой тела до 100 кг, ростом о 1 м 60 см до 1 м 90 см и шириной бедер до 42 см.

Цена - от 7,5 млн. руб.

Один самых совершенных и продвинутых экзоскелетов. Производится израильской компанией ReWalk Robitics. В настоящее время выпускается уже шестая модель экзоскелета этой компании - ReWalk Personal 6.0, которая гораздо менее громоздка и более компактна, чем предыдущие модели. Экзоскелеты ReWalk предназначены для реабилитации и использования в повседневной жизни.

Оборудован рамой поддержки таза и голеностопными каркасами, имеет сенсоры наклона, оснащен интеллектуальной системой управления и наручным коммуникатором, с помощью которого и осуществляется управление экзоскелетом.

Вес экзоскелета ReWalk - 25 кг. Рассчитан на пациентов с массой тела до 80 кг. Батарея может работать без подзарядки 3 часа, время ее зарядки - 5-8 часов.

Цена - от 3,5 млн. руб.

Экзоскелет HAL выпускается японской компанией Cyberdyne. Имеет две модификации: HAL 3 и HAL 5. Обе модификации применяются для реабилитации и восстановления пациентов с поражениями спинного мозга, опорно-двигательной системы, нейромышечными заболеваниями. HAL 3 предназначен для восстановления двигательной функции нижних конечностей, HAL 5 - верхних и нижних конечностей и торса.

Отличительной особенностью экзоскелетов HAL является наличие обратной связи между устройством и телом человека. Сервоприводы экзоскелета HAL приводятся в движение импульсами, получаемыми с мышц человека. Эти импульсы улавливаются специальными датчиками, закрепленными на коже пациента. Импульсы с мышц считываются датчиками и направляются в процессор, который оценивает уровень нагрузок и приводит в движение необходимые сервоприводы экзоскелета. Таким образом, головной мозг заново обучается управлению мышцами торса, рук и ног.

Конструкция обеих модификаций экзоскелата HAL разборная и позволяет использовать их как для одной, так и для обеих конечностей. HAL 3 может пользоваться для одной или двух ног, HAL 5 - для одной или двух рук и ног.

Вес модели HAL 3 - 10 кг. HAL 5 весит 12 кг. Обе они рассчитаны на пациентов с массой тела до 80 кг. Система питания обеспечивает непрерывную работу устройства на срок от 1 до 1,5 часов.

Цена экзоскелетов HAL производителем не указывается, т.к. они не поступают в продажу, а сдаются в аренду лечебным учреждениям сроком на 5 лет.

Это достаточно новая разработка американской компании Parker Hannifin Corporation, которая появилась на рынке в прошлом году. Indego предназначен для использования при реабилитации и в бытовых условиях.

Характерная особенность Indego - модульная конструкция, позволяющая собрать и подогнать все части экзоскелета под конкретного пользователя непосредственно при надевании. Аккумулятор обеспечивает 4 часа непрервыной работы.

Экзоскелет Indego позволяет вставать и садиться, идти вперед, стоять на месте и наклоняться вперед. А вот подниматься и опускаться по лестнице с его помощью не получится. Элементы управления Indego и информация о состоянии системы может выводиться на смартфон.

Вес Indego - 12 кг. Конструкция рассчитана на пользователей с ростом от 1 м 55 см до 1 м 91 см и массой тела до 113 кг.

Цена - от 4,5 млн. руб.

ЭкзоАтлет

Это единственная на сегодняшний день отечественная модель экзоскелета, которая производится серийно и уже поступает в лечебные учреждения и реабилитационные центры России. ЭкзоАтлет разработан в инновационном центре «Сколково».

ЭкзоАтлет может использоваться как для реабилитации, так и в быту, а также для восстановления пациентов, перенесших инсульт. Его особенностью является возможность вносить изменения в алгоритм по мере использования и приобретения пользователем определенных навыков. Т.е. ЭкзоАтлет можно подогнать под каждого конкретного пользователя и его индивидуальные предпочтения в эксплуатации экзоскелета. Дополнительная опция - электростимуляция мышц с помощью импульсов, синхронизированных с движениями экзоскелета.

Вес конструкции - 20 кг.

Цена - от 1,5 млн. руб.

Введение

экзоскелет программный машина

Актуальность темы курсовой работы обусловлена тем, что экзоскелеты применяются во многих областях науки и техники, при чем существуют достаточно интересные области применения экзоскелетов в медицине и вооружении стран. В будущем экзоскелеты возможно станут неотъемлемой частью нашей жизни, поэтому нужно знать хотя бы базовую информацию о них.

Объектом исследования в курсовой работе является история и создание экзоскетов.

Целью курсовой работы является изучение области применения экзоскелетов в медицине, вооружении и других областях.

Для достижения указанной цели в курсовой работе решаются следующие исследовательские задачи :

1. Рассмотрение конструкции простейшего экзоскелета;

2. Изучение области применения экзоскелетов.

3. Изучение истории создания и развития экзоскелета;

4. Обзор машин и механизмов, используемых в качестве экзоскелета.

5. Оправданность применения и модернизации экзоскелета в будущем;

Что такое экзоскелет?

экзоскелет программный машина

Экзоскелемт (от греч. Эощ - внешний и укелефпт - скелет) - устройство, предназначенное для увеличения силы человека за счёт внешнего каркаса.

Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Должны быть датчики, которые следят за состоянием тела человека, движением его ног, рук, мышц (а в будущем, возможно за его мыслями), механический скелет с системой приводов конечностей и компьютерная программа, работающая на основе математической модели движения человеческого тела, которая на основе данных с датчиков управляет всем этим экзоскелетом.

Кто изобрел экзоскелет?

Откуда всё началось

Экзоскелет - внешний тип скелета у некоторых беспозвоночных животных. Самые старые окаменелые экзоскелеты датируются временем приблизительно 550 миллионов лет назад. Экзоскелет характерен для большинства беспозвоночных, у которых он представлен в виде раковины (многие простейшие, моллюски) или кутикулы (хитиновый панцирь членистоногих). Беспозвоночные (лат. Invertebrata) распределены по более, чем двадцати равноправным группам высокого ранга - типам (наиболее крупные из которых - членистоногие, круглые черви и моллюски). Членистоногие (лат. Arthropoda) - тип первичноротых животных, включающий насекомых, ракообразных, паукообразных и многоножек. По количеству видов и распространённости может считаться самой процветающей группой живых организмов. Количество видов членистоногих превышает количество видов всех остальных животных вместе взятых.

Панцири ракообразных

Исходя из этих последних данных, можно сделать вывод: экзосколет изобрела Природа. Изобрела и очень активно его использует в своих творениях. А человек, в какой-то момент решил, опираясь на свой интеллект, пойти по пути природы, также создав для себя экзоскелет. Подобное устройство, кроме увеличения возможностей здорового человека, может помочь больным с нарушениями опорно-двигательного аппарата

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 все 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, насколько 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 еще 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-х годах запатентовал ряд технологий, которые облегчали ходьбу, бег и прыжки человека. Ягн планировал направить свои разработки в помощь военным.

В 1960-х 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-х годах югославский ученый Миомир Вукобратович создал экзоскелет с пневмоприводом, который должен был помочь парализованным людям снова встать на ноги. Российские и европейские ученые впоследствии брали за основу проект Вукобратовича при создании своих технологий. Так, в начале 1980-х 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-х годах 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 году 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.

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

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 США.

ReWalk от Argo Medical Technologies - еще 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.

Все 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 30 тысяч долларов США.

Одно из последних достижений в области медицинских экзоскелетов - устройство Phoenix от американской фирмы SuitX. При стоимости 40 тысяч долларов США 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 20 тысяч долларов США.

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 предназначены для людей, работающих с тяжелыми грузами на складах и 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 США.

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.

Еще 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 все тело, все 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 долларов США.

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 все ясно, то первый представляет серьезную 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 тяжелые 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 тяжелые 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 ее 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.

Позволяет увеличить силы человека, который его использует, а также восстановить утраченные способности. На данный момент экзоскелеты производятся в России, США, Швейцарии, Израиле и Японии. Впервые экзоскелет был разработан в США в 1960 годы и назывался Hardmann, однако из-за внушительного веса в 680 килограмм, этот проект был признан неудачным.

TALOS

Цель проекта TALOS – создать броню для солдат, которая могла бы повысить их безопасность. Над этим экзоскелетом работает несколько десятков государственных и частных компаний США, а также крупнейшие научно-исследовательские институты. Основа TALOS – бронированный экзоскелет, защищающий бойца от осколков и пуль. Он позволяет солдату свободно передвигаться по полю боевых действий со снаряжением массой до 45 килограммов. Кроме того, TALOS заботится о здоровье бойца: экзоскелет умеет останавливать кровотечение при получении раны. Экзоскелет должен поступить на вооружение американской армии в 2018 году.

Hybrid Assistive Limb

В отличие от боевого TALOS, этот экзоскелет создан для того, чтобы облегчать жизнь людям, имеющим проблемы со здоровьем, а именно с опорно-двигательным аппаратом. Так, благодаря Hybrid Assistive Limb, человек, прикованный к инвалидному креслу, может научиться подниматься по лестнице. Hybrid Assistive Limb реагирует на биоэлектрические сигналы, которые исходят от человеческого тела.

XOS 2

XOS 2, созданный компанией Raytheon, может увеличить силу человека, а также защитить его от внешних опасностей. Основные пользователи XOS 2 – военные логисты, в обязанности которых входит перемещение тяжелых грузов. Также пользователь данного экзоскелета сможет разбивать кирпичные стены и перебивать деревянные брусья. Основной проблемой XOS 2 является то, что он может работать только при условии подключения к автономному источнику энергии.

HULC

Одна из самых серьёзных травм, которую может получить пехотинец, – это травма спины, так как пехотинцам приходиться переносить довольно большое количество снаряжения. Помочь пехотинцам переносить тяжелый груз должен экзоскелет HULC от компании Lockheed, который можно будет надевать под одежду. Кроме того, в планах компании Lockheed создание экзоскелета для солдат, уже получивших травмы. Менеджер программы по созданию экзоскелета HULC Ахиллес Дороти утверждает : “Parker Hannifin, работающая с Университетом Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси, ориентирует экзоскелет Indego на 700,000 американцев с повреждениями позвоночника. Другой круг потенциальных пользователей – приблизительно 600,000 человек, перенесших инсульт и потерявших способность к самостоятельному перемещению”.

ЭкзоАтлет

Наши соотечественники также создают экзоскелеты, целью которых является помощь людям с проблемами со здоровьем. В 2011 году Министерство чрезвычайных ситуаций и научная команда НИИ Механики Московского Государственного Университета начали работу над ЭкзоАтлетом. Команда смогла разработать несколько экзоскелетов под маркой «ЭкзоАтлет». Экзоскелеты пассивного действия повышают выносливость и активность человека. В свою очередь, экзоскелеты активного действия увеличивают силу человека и позволяют ему справляться с весом до 200 килограммов.

H-Lex

Свой экзоскелет представил известный автопроизводитель Hyundai. H-LEX покрывает основную часть тела пользователя. Цель экзоскелета – помочь людям переносить большие тяжести. Кроме того, H-LEX может помочь встать инвалидам на ноги. Главным минусом данного устройства является его громоздкость. Также определенные сложности для пользователей доставляет форма клешней экзоскелета. С другой стороны, HI-LEX способен помочь людям переносить тяжести до 50 килограмм на спине, а также поднимать руками вес в сотни килограммов.

Innophys

Японская компания Innophys представила одноименный экзоскелет, который может помочь людям поднимать тяжести. Грузоподъемность экзоскелета составляет 30 килограммов. Основными пользователи данного устройства – люди, задействованные в промышленности, а также лица, занятые уходом за пожилыми людьми. Отличительной чертой экзоскелета Innophys является то, что его систему составляют искусственные мышцы, которые располагаются в алюминиевом корпусе устройства.

NEUWalk

Необычный экзоскелет создан в Федеральной политехнической школе Лозанны. В отличие от большинства устройств подобного типа, NEUWalk, в первую очередь, стимулирует внутренние силы. В основе NEUWalk лежит подача электрического тока в спинной мозг. Изобретение было опробовано на крысах с поврежденным мозгом. Подавая электрические импульсы ниже поврежденных участков мозга, ученые заставили крысу встать на ноги и пойти.

Chairless Chair

Изобретение швейцарских ученых призвано помочь людям, которым по долгу службы приходится долгое время стоять на ногах. Экзоскелет не стесняет движений человека, находясь на его теле. Пользователь экзоскелета Chairless Chair может присесть в любом месте, установив необходимые параметры. Устройства сделано из углеводородного волокна и алюминия, время его работы составляет 24 часа.

Exosuit

Экзоскелет для водолазов Exosuit был создан американской компанией Nuytco Research Ltd. Он позволяет человеку погружаться на глубину 300 метров. Давление там в 30 раз выше, чем на поверхности. Погрузившись, водолаз может находиться часами на глубине. Exosuit защищает человека от перепадов давления и низких температур. Вес экзоскелета составляет 240 килограмм, размер – порядка двух метров. Движение водолаза обеспечивается за счет четырех двигателей малой тяги мощностью 1,6 лошадиных сил.

Ну, кто из нас не хотел иметь в своем постоянном распоряжении костюм супер героя? Например, облачится в костюм из одноименного комикса компании Марвел «Железный человек», и за секунды преодолевать скорость звука или одной рукой делать перестановку в доме, ну, или, в крайнем случае, спасти Землю от гибели. «Выдумки, фантастика и несбыточные мечты» — отмахнетесь вы. Но эти мечты не так далеки, как вам кажется. Частично эти фантазии уже можно воплотить в реальность с помощью экзоскелета.

Что такое экзоскелет?

Экзоскелет (в переводе с латыни «внешний скелет») – техническое устройство, которое способно увеличивать физические способности человека благодаря каркасу. Основной задачей экзоскелета является поддержка человеческого тела при воздействии на него нагрузок, принимая «основной удар» на себя.

Экзоскелет для людей с ограниченными возможностями.

Как выглядит экзоскелет?

Конструкция внешнего скелета состоит из основного панциря, выполненного из углеродного волокна, и дополнительных трубчатых конструкций для рук и ног. Есть и такие модели, которые больше напоминают космический скафандр. Внутри устройства имеются датчики давления, при помощи которых и происходит управление.

К слову сказать, экзоскелеты, не такая уж новинка. Еще в 1890 году русский инженер Николай Ягн зарегистрировал несколько патентов в этом направлении. По его задумке, внешний скелет, должен был облегчить ходьбу и бег военнослужащих. Николай Фердинандович смог рассмотреть потенциал своего костюма в военном деле. Особый вклад в дальнейшее развитие внесли писатели-фантасты. Современные модели, безусловно, в своем развитии ушли вперед, но сфера применения практически не изменилась: военное и медицинское направление.

Прогресс не дремлет: человек покоряет космос и морские глубины, техника становится все более изощренной, но победить время и все болезни пока не в силах. Множество людей по всему миру сталкиваются с проблемой ограниченной подвижности. Причем, касается это не только пожилых людей, но и детей, взрослых. Экзоскелет возвращает возможность двигаться тем, кто ее потерял.

В военном деле «внешний скелет» получил гораздо большее развитие. Экзоскелеты помогают солдатам покорять высокие горы, переносить грузы, защищают солдат от ударов и травм. Большинство экономически развитых стран активно финансируют разработку экзоскелетов. Япония в этом особенно преуспела, оснастив модели контролируемым разумом.

Хотя современные модели гораздо легче и дешевле своих прототипов, инженерам пока удалось решить не все проблемы.

1. Материал. В распоряжении ученых не так много материалов, которые подходят для основы конструкции. Сталь и алюминий доступны, но для длительного использования не подходят. Алюминий накапливает усталость, а сталь имеет большой вес, что приводит к снижению эффективности «костюма». Углепластик – эффективен, но дорог.
2. Питание. В качестве питания для экзоскелета могут использоваться электрическая сеть (не самый мобильный вариант) или бензиновый двигатель-ранец (неудобно, а в военном деле еще и небезопасно).
3. Управление.Непреднамеренные или нежелательные движения владельца, часто влекут за собой разрушительные последствия.

Еще вчера полет на Луну был мечтой отчаянных фантастов, а сегодня космонавты постоянно «совершают невозможное», недавно для связи с родными использовали почтовые службы, а сегодня достаточно воспользоваться мобильным телефоном. Вчерашняя фантастика, мифы и невероятные задумки сегодня превращаются в реальность. Пусть до функционала костюма Тони Старка современным экзоскелетам еще далеко, но кто знает, возможно, уже завтра, именно они сделаю нашу жизнь проще.