Дети с редким нейрогенным заболеванием (мышечной атрофией) недавно получили возможность самостоятельно ходить - и всё благодаря силовым экзоскелетам. Устройства, которые по сути являются роботизированными конструкциями, сообщающими искуственные движения конечностям человека, стали все более обыденным способом помощи людям, потерявшим возможность ходить самостоятельно. Сегодняшние экзоскелеты - это, как правило, неуклюжие, тяжелые конструкции. Новые технологии могут помочь им стать легче и более подходящими для использования человеком. Совершенной конструкцией представляется, например, роботизированная кожа.  

Экзоскелеты разрабатываются с 60-х годов. Первый из них разрабатывали в США по заказу военных. Он представлял из себя громоздкий набор рычагов и гидравлики, и по-задумке должен был помочь поднимать тяжести весом более сотни килограммов. Практического применения конструкция, созданная General Electric совместно с американскими военными, так не получила. С тех пор появилось немало более эффективных разработок для верхних и нижних конечностей, которые позволяют людям увеличить силу, или учат вновь пользоваться своими конечностями, или являются способом управления роботом-аватаром за счет сенсорных или "тактильных" ("хаптических") технологий и обратной связи. HAL3, HAL5, H-LEX, Ekso, Fortis, Harmony, Honda WAD, ULC, Indego, AWN, XOS2, Phoenix, ReWALK, REX, Robo-Mate, Superflex, Talos и ExoAtlet - эти названия знакомы любому, кто интересовался темой. 

Типовой современный экзоскелет - это набор рычагов и сочленений, которые подгоняют под длину костей и расположение суставов пользователя. Рычаги прикрепляют ремешками к конечностям человека. При подаче питания на электроприводы в искуственных суставах, они приводят конструкцию (и пользователя) в движение. Управление процессом может брать на себя компьютер, например, если осуществляется движение в целях физиотерапии, либо управляющие сигналы считываются с мышц пользователя, а затем они преобразуются в последовательности команд для контроллеров, управляющих экзоскелетом. 

Тяжелые и болезненные

Несмотря на то, что разработки экзоскелетов идут уже полвека, они все еще не стали массово используемыми. Одна из основных причин состоит в том, что экзоскелет некомфортно использовать в течение долгого времени. Человеческое тело плохо приспособлены к взаимодействию с жесткими конструкциями "один размер подходит для всех". Некоторые экзоскелеты предусматривают подгон к параметрам пользователя, но если все сочленения конструкции не работают в полной гармонии с суставами человека, это может приводить к различным негативным последствиям, дискомфорту и боли. Да и жесткость каждой части экзоскелета удобств пользования им не добавляет. 

Экзоскелет Fortis 

Другая проблема, особенно характерная для экзоскелетов, предназначенных для верхней части тела - это их тяжесть. Причина того, что конструкции тяжелые, - это необходимость использования прочных материалов, способных выдерживать вес тела и мощных актуаторов, которые приводят в движения части экзоскелета. Современные конструкции к тому же проектировались без учета необходимости их использования в широком диапазоне температур или под дождем. В итоге большинство современных экзоскелетов можно носить в помещениях, но не на улице в реальных условиях окружающей среды. Не будем забывать и о не слишком эстетичном внешнем виде, который явно не слишком волновал дизайнеров (если дизайнеры вообще принимали участие в разработке того или иного экзоскелета). Так или иначе, но человек в современном экзоскелете выглядит, как правило, не слишком эстетично. И не надо вспоминать про "шашечки или ехать", в XXI веке нужно и возможно и то, и другое!

Чтобы сделать экзоскелеты более практичными и привлекательными, требуются серьезные инновации - экзоскелет будущего представляется скорее "второй кожей", чем-то вроде высотного компенсирующего костюма летчика, нежели чем неуклююжей конструкцией из металлических рычагов и противовесов. Да, современные экзоскелеты обычно строятся на основе тяжеленных электромоторов, но существуют и альтернативные сверхлегкие актуаторы, например, пневмомышцы о которых мы недавно писали или вот эти. Они способны развивать усилия, схожие с теми, что обеспечивают электромоторы, но при этом весят существенно меньше. "Мышцы" состоят из резиновой камеры, которая под давлением утолщается или удлинняется, создавая усилие, необходимое для того, чтобы привести части экзоскелета в движение. Несмотря на то, что используются легкие материалы, такие "мышцы" могут создать усилие, достаточное для подъема груза в сотню килограмм или более.

Софтроботика

Вот только даже легкие актуаторы пытаются присоединять к жесткой механической структуре, которая крепится к телу пользователя. Итоговый выигрыш в массе конструкции оказывается не столь большим. Есть и другой путь! В Центре Автономных систем и робототехники Университета Сэлфорда, Объединенное Королевство, ведутся разработки альтернативной конструкции  экзоскелета - с использованием "мягкой робототехники" (софтроботики).

Эта технология подразумевает использование конструкции из мягких современных материалов, которые способны выполнять те же задачи, что и традиционные жесткие конструкции из металла или пластика. Мягкие системы намного лучше подходят для использования в контакте с человеческим телом, к тому же они как правило в разы легче, поэтому даже при их контакте с телом, они как правило не могут вызывать повреждения или неприятные ощущения. 

Soft Robotic Exosuit from Wyss Institute on Vimeo.

Недавно в Центре был разработан актуатор новой конструкции (soft continuum actuator), который похож на хобот слона. В отличие от традиционного жесткого "сустава", если он встретит сопротивление в какой-то своей части, он все равно продолжит изгибаться по всей своей длине. Если оборудовать костюм, выполненный из плотного материала, наподобие кожи, такими приводами, получится мягкий экзоскелет, сгибающийся точно в тех же местах, где расположены суставы человека, одевшего этот костюм. Таким образом, типовой экзоскелет без каких-либо специальных настроек или подгонок смогут применять разные пользователи. Вдобавок конструкция почти ничего не весит, и ее можно рассматривать, скорее, как вид одежды, нежели, как мощное механическое сооружение, навешенное на человека.

Экзоскелеты постепенно становятся коммерчески доступными изделиями, и мы возможно будем видеть все большее их разнообразие в ближайшие годы. В 2012 году парализованная женщина Claire Lomas, благодаря экзоскелету, смогла пробежать Лондонский марафон. Но для того, чтобы эти изделия стали массовыми и удобными, требуются еще немалые инженерные усилия. В частности, кроме проблемы сокращения веса и ухода от чрезмерной жесткости конструкции, желательно также решить проблему энергии, чтобы человеку в экзоскелете не приходилось перемещаться от розетки к розетке, подзаряжая аккумуляторы конструкции каждые полчаса.