Что такое экзоскелет и чем он полезен человеку. Объясняем простыми словами
Экзоскелет — устройство, которое человек надевает для восстановления функций конечностей или для увеличения силы, расширения физических возможностей. Экзоскелет позволяет человеку выполнить действия, на которые он не способен в обычной жизни. Такие устройства распространены в разных сферах. Например, в медицине или военной промышленности.
Проще говоря, экзоскелет чем-то похож на костюм железного человека Тони Старка из комиксов Marvel. Тот защищал все жизненно важные части тела Старка от пуль и огня, позволял летать и стрелять сгустками плазмы.
Экзоскелет фиксируется на теле человека и работает при помощи системы электродвигателей, рычагов, гидравлики и других технологических решений. И хотя он не сделает человека супергероем, но поможет стать сильнее, выносливее или улучшить качество жизни.
Приставка «экзо» в переводе с латыни означает «внешний», то есть экзоскелет — «внешний скелет».
Какие бывают экзоскелеты
Экзоскелеты можно разделить на две группы: активные и пассивные.
Активные экзоскелеты требуют источник энергии. Обычно они берут её из встроенных в систему аккумуляторов, но иногда можно встретить и модели с проводным подключением, где человек всё время остаётся «на привязи».
Пассивные экзоскелеты представляют собой рычажно-шарнирные установки, которые не оснащены электроникой. То есть таким экзоскелетам не требуются ни аккумуляторы, ни провода. Пассивные экзоскелеты используют силу и движения человека, который их надевает. Они распределяют энергию движений человека так, чтобы ему было легче двигаться и выполнять работу.
Такие экзоскелеты относительно недорогие. Их стоимость начинается от пары тысяч рублей.
Но и возможности пассивных экзоскелетов сильно ограничены и никак не сравнятся с активными.
Стоимость активных экзоскелетов может достигать нескольких миллионов рублей.
Принцип работы экзоскелетов
Вне зависимости от того, активный или пассивный экзоскелет, принцип действия схож.
Рассмотрим на примере активного экзоскелета. Его основные элементы:
- Каркас. Он повторяет структуру тела и может быть жёстким или мягким.
- Приводы. Располагаются в суставах и могут быть электрические, гидравлические или пневматические.
- Датчики.
- Система управления.
- Источник питания (аккумулятор).
Когда одетый в экзоскелет человек начинает двигаться, датчики определяют эти движения. Система управления обрабатывает полученные данные и передаёт команды на приводы, которые начинают помогать человеку, увеличивая его силу и снижая нагрузку на мышцы и суставы. Таким образом, экзоскелет работает синхронно с движениями человека, усиливая их.
Где применяют экзоскелеты
Если недавно слово «экзоскелет» ассоциировалось с чем-то фантастическим, то сегодня эту технологию используют во многих сферах. Например, в медицине, промышленности, спорте, военном деле.
Конгресс молодых ученых в Парке науки и искусства «Сириус». Модель активного экзоскелета Auxilium.
Причём рынок экзоскелетов постоянно растёт. Так, в 2023 году его глобальный объём с точки зрения выручки составил $0,7 млрд. По оценкам аналитиков, к 2028 году рынок экзоскелетов достигнет $3,7 млрд.
Расскажем подробнее, в каких сферах используют экзоскелеты.
Медицина (реабилитация)
Роботы-экзоскелеты используют для реабилитации больных, которые перенесли серьёзные травмы и операции на руки, ноги, шею, позвоночник и т. д.
Пациенты носят «железный костюм» по несколько часов в день. Эта конструкция нужна для снижения нагрузки на конечности и помогает совершать движения, которые человек не способен выполнить самостоятельно. Например, сесть, встать, ходить, поднять руку или ногу.
8-летнему мальчику с церебральным параличом помогает роботизированный экзоскелет Atlas 2030. Мехико, 2022 год
Технологии экзоскелетов есть и в России. Отечественная компания ExoAtlet изготавливает экзоскелеты для реабилитации пациентов с травмами ног, спинного мозга, рассеянным склерозом, и также для тех людей, кто перенёс инсульт или страдает ДЦП. Экзоскелет управляется с помощью кнопок, которые располагаются на костылях, и специального планшета для сопровождающего.
Военная сфера
Такие костюмы становятся частью боевой экипировки солдат. Боевые экзоскелеты предназначены для более эффективного выполнения боевых задач. Они повышают выносливость, силу, скорость движения, ловкость бойцов.
Московская область. Молодой человек демонстрирует экзоскелет на международном военно-техническом форуме «Армия-2022» в конгрессно-выставочном центре «Патриот», 2022 год
В военном экзоскелете снижается нагрузка на опорно-двигательный аппарат военнослужащих, которые постоянно переносят на себе тяжёлые грузы и оборудование.
В 2021 году индустриальный директор кластера вооружений, боеприпасов и спецхимии «Ростеха» Бекхан Оздоев заявлял, что «технология экзоскелета уже используется российскими военными — ею оснащены подразделения сапёров, которые сейчас находятся в Сирии».
Промышленность
Экзоскелеты востребованы в промышленности, особенно на производствах, где работа сотрудников сопряжена с постоянным поднятием тяжестей или частой работой в неудобных положениях тела.
Иногда нагрузки на производстве доходят до критических, а это подрывает здоровье работников. Благодаря экзокостюмам работник меньше утомляется, отсутствует риск производственных травм и различных профзаболеваний.
На заводе Porsche в Лейпциге сотрудника во время работы над головой поддерживает экзоскелет. , 2018 год
В экзоскелете производительность труда может вырасти на 80%.
В России созданием экзоскелетов для промышленности занимается компания Exorcise. У неё в линейке есть несколько моделей, в том числе для женщин.
Недостатки экзоскелетов
💲 Стоимость. Если некоторые пассивные экзоскелеты люди могут позволить себе купить без особых сложностей, то технологичные активные скелеты стоят огромных денег. Производство активных костюмов требует больших ресурсов, а поэтому электроприводные экзоскелеты не могут стоит дёшево.
🛠️Необходимость индивидуальной настройки. Чтобы экзоскелет работал максимально эффективно, его нужно правильно настроить под индивидуальные особенности пользователя: рост, вес, длину конечностей. Это требует дополнительного времени и усилий.
⏲️Вес и габариты. Многие модели современных экзоскелетов достаточно тяжёлые и громоздкие. Они могут затруднять движение тела и вызывать дискомфорт при длительном использовании.
🚑 Потенциальные риски для здоровья. При неправильном использовании или настройке экзоскелета возможно возникновение дискомфорта, болевых ощущений или даже травм.
Почему растёт популярность экзоскелетов
Рост спроса на экзоскелеты объясняется несколькими факторами. Первый и основной — увеличение числа пожилого населения в мире. В отчёте Verified Market Research говорится, что с 2019 по 2050 год доля людей старшего возраста удвоится. Особенно это будет заметно в Северной Африке и Западной Азии, Центральной и Южной Азии, Латинской Америке и Карибском бассейне, Восточной и Юго-Восточной Азии.
Сотрудник аэропорта Штутгарта поднимает чемодан на багажную тележку при поддержке экзоскелета компании German Bionic Systems в отделе распределения багажа. Аэропорт Штутгарта арендует два экзоскелета каждый на один год. Силовые костюмы предназначены для помощи сотрудникам при обработке багажа, поддерживая или усиливая движения перевозчиков, 2020 год
Вторым фактором можно назвать увеличившееся количество инсультов во всём мире. По данным ВОЗ, за последние 17 лет риск развития заболевания вырос на 50%. В настоящее время каждый четвёртый человек рискует перенести его в течение жизни. Экзоскелеты уже используют при реабилитации людей с двигательными нарушениями после перенесённого инсульта. Основатель Microsoft Билл Гейтс уверен, что эти устройства могут изменить жизнь людей с ограниченными возможностями здоровья.
История развития экзоскелетов
Разработка экзоскелета впервые задокументирована в 1889 году. Создателем первого подобного устройства был российский изобретатель-самоучка Николай Ягн. Аппарат представлял собой систему из пружин и поршней. С помощью ремней он крепился к нижней части тела и облегчал ходьбу и бег. При сгибании ноги в колене пружины сжимались, а потом с силой распрямлялись, помогая ноге сильнее оттолкнуться от земли.
Этот аппарат получил название «эластипед».
Первый прототип экзоскелета, каким мы представляем его сейчас, появился в США в 1960-е годы. Компания General Electric совместно с американской армией создала устройство весом 680 кг, которое состояло из восьми шарниров и двух захватных рычагов. Всё между собой соединялось гидравлической и электронной сетями. Назвали этот экзоскелет «Хардимэн».
По задумке этот костюм должен был помочь человеку поднимать тяжёлые грузы массой около 110 кг. Однако тесты первого экзоскелета провалились. Система часто приводила к неконтролируемым действиям костюма, которые вредили человеку (оператору) внутри него.
Далее на протяжении многих десятилетий были попытки создать по-настоящему эффективный экзоскелет, но только в начале XXI века удалось создать нечто серьёзное, что действительно способно помочь людям.
В 2001 году швейцарская компания Hocoma выпустила робота Lokomat. Он помогал парализованным пациентам, которые пережили инсульт и травмы спинного мозга. Эти современные экзоскелеты буквально учили людей заново ходить.
Изобретателем робота стал инженер-электронщик Джерри Коломбо, он же был и основателем компании. Когда эта идея только пришла в голову Коломбо, в неё никто не поверил. Самостоятельно и с большим трудом Джерри набрал необходимое количество денег, чтобы начать исследования. В 1996 году он основал свою компанию, которая до сих выпускает экзоскелеты.
Тенденции развития экзоскелетов
На разработку новых моделей экзоскелетов влияют достижения в области искусственного интеллекта.
В 2024 году исследовательский центр интеллектуальной робототехники Корейского института науки и технологий (KIST) представил новый портативный экзоскелет Moonwalk‑Omni. Новый экзоскелет выглядит как пояс с несколькими приводами, которые крепятся к бёдрам. Благодаря этому сила ног увеличивается на 30%.
Технология искусственного интеллекта, которая встроена внутрь экзоскелета, анализирует походку в режиме реального времени, реагирует и поддерживает те мышцы, которым нужна разгрузка прямо сейчас.
Также разработчики стараются оптимизировать энергопотребление экзоскелетов. Основной проблемой большинства активных экзоскелетов остаётся довольно ограниченная ёмкость аккумуляторов при большой массе самого экзоскелета (некоторые модели экзоскелетов могут весить 20–30 кг). Поэтому инженеры стараются увеличивать мощность аккумуляторов и придумывают более эффективные технологии подзарядки.
Эта статья — одна из тысяч в «Энциклопедии "Секрета фирмы"». В этом проекте мы простыми словами рассказываем о сложных терминах и явлениях. Посмотрите другие статьи «Энциклопедии», чтобы лучше понимать мир, в котором мы живём.