биологические науки/11.биоинженерия и биоинформатика
К.т.н. Уварова Н.П., к.т.н. Рукавицын А.Н., Яковлев
И.А.
Юго-Западный
государственный университет (Россия)
Экзоскелеты: настоящее и будущее
С неуклонным развитием научно-технического
прогресса, многие вещи, которые раньше встречались лишь в фантастических
романах писателей, сегодня же стали, если не обыденными, то вполне реальными.
Так, например, костюмы, которые используют герои фантастических фильмов и
компьютерных игр, уже существуют в действительности и позволяют человеку стать
сильнее и быстрее.
Экзоскеле́т (от греч. έξω — внешний и
σκελετος — скелет) — устройство,
предназначенное для увеличения мускульной силы человека за счёт внешнего
каркаса. Он повторяет биомеханику
человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Впервые
концепция брони с экзоскелетом была изложена в романе «Tom Swift and His
Jetmarine», опубликованном в 1954 году. Наиболее известным произведением,
описывающим военное применение экзоскелета, является роман Роберта Хайнлайна
«Звёздный десант» (1959 год) [3].
Экзоскелет можно увидеть в таких
компьютерных играх как StarCraft, Fallout, STALKER, Crysis; в фильмах Звёздный
десант, Бросок Кобры, Железный челоек, Район №9, Аватар и других. Вообще,
концепция брони с экзоскелетом очень популярна [3]. По сообщениям открытой печати, реально действующие
образцы в настоящее время созданы в Японии и США. Экзоскелет может быть
интегрирован в скафандр.
Разработчики таких аппаратов работают в
разных направлениях — как военных, так и гражданских. В военной индустрии
преследуется цель создания мощной брони с увеличенной силой. В гражданской
сфере использование экзоскелетов может вернуть подвижность инвалидам с
проблемами опорно-двигательных систем организма и подарить возможность перемещения
тем, кто прикован к инвалидным коляскам [5]. Весьма полезны суперкостюмы будут
и в строительных работах или во время проведения спасательных мероприятий,
когда требуется извлекать людей из-под завалов.
Одним из главных разработок является
военное применение экзоскелетов. Целью этих разработок является создание брони,
которая совместила в себе огневую мощь и бронирование танка, подвижность и
скорость человека, и в разы увеличивающей силу того, кто использует экзоскелет
[4].
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. 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
[4].
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, однако при
её весе в 1500 фунтов (685.4 кг) она 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 необходимого энергетического объёма
демонстрацию пришлось проводить в режиме работы от сети то есть «от кабеля».
(Ролик с демонстрацией есть на You Tube). Некоторые экзоскелеты (Hybrid
Assistive Limb, Honda Walking Assist Device) позиционируются как устройства для
людей с проблемами опорно-двигательного аппарата.
Рис.1 Морской пехотинец США в
экзоскелете HULC переносит контейнеры с боеприпасами весом в 100 кг
Военные экзоскелеты
«HULC (Human UniversalLoad Carrier)». Прототип экзоскелета от американской компании Lockheed
Martin позволяет человеку легко переносить грузы весом под сотню килограммов.
Костюм оснащен микрокомпьютером, который обеспечивает движения, соответствующие
движениям человека, и энергосберегающей системой, способной увеличить
продолжительность использования устройства. Впрочем, доработка экзоскелета
продолжается до сих пор, модификации подвергается в том числе и программное
обеспечение. Сложенный HULC выглядит как рюкзак весом 25 кг, который можно
переносить за спиной [1].
Рис.2 Солдат армии США в экзоскелете
XOS 2
«XOS2». Экзоскелет, созданный
американской компанией Raytheon, не зря получил прозвище «Железный человек»: он
увеличивает силу, выносливость и скорость своего носителя и позволяет поднимать
грузы, в три раза превышающие средний вес человека. К тому же этот костюм
достаточно гибок: в нем можно с легкостью играть в футбол или взбегать вверх по
лестнице. В XOS 2 идеально налажена система связи человека и механики, поэтому
их движения практически синхронны. Все действия экзокостюма координируются
компьютером, расположенным на спине. Единственный минус — пока экзоскелет может
полноценно работать лишь от силового кабеля [1].
«Боец-21». Министерство обороны России
не отстает от американских и японских разработчиков, готовясь представить свой
вариант суперкостюма к 2015 году. Система, которая послужит боевой экипировкой
для спецподразделений, получила название «Боец-21». Первый прототип экзоскелета
весом 36 кг уже был представлен публике. В дальнейшем планируется снизить вес
конструкции и оснастить ее системами поражения, защиты, управления, жизне- и
энергообеспечения [1].
Рис.3 Манекен в российском
экзоскелете для спецвойск «Боец-21»
Гражданские
экзоскелеты
«HAL
(Hybrid Assistive Limb)». Один из
самых перспективных экзоскелетов, разработанный в Японии, предназначен для
людей с болезнями опорно-двигательного аппарата, а также для строительных и
спасательных работ. Он представлен в двух вариантах — в полной комплекции для
восстановления работы всего тела и облегченной для обеспечения подвижности ног.
Благодаря электродам, прикрепленным к коже человека, система фиксирует
мускульные импульсы, передавая их на встроенный компьютер, который активирует
сервоприводы и таким образом помогает телу совершать необходимые движения.
Когда человек пытается двигаться, мозг посылает электрические импульсы к
мышцам. Когда они доходят до мышц, на коже можно зарегистрировать слабые биоэлектрические
сигналы. Специальные датчики считывают эти сигналы с кожи, а компьютер
анализирует, какой силы необходимо совершить действие. Необходимое количество
энергии поступает к сервомоторам, и они выполняют необходимое действие [4].
Работает костюм на аккумуляторных батареях в течение трех часов при нормальной
нагрузке. Свой немалый вес (23 кг в полной комплектации и 15 — в облегченной)
экзоскелет полностью компенсирует, поэтому ощущения тяжести не возникает.
Новинка уже запущена в серийное производство и стоит порядка $4200 [1].
Рис.4 Люди с повреждениями
опорно-двигательного аппарата
со специальным экзоскелетом Hybrid
Assistive Limb (HAL)
«PLL
(Power Loader Light)». Экзоскелет Power Loader разрабатывается компанией
Panasonic еще с 2009 года. Однако его полнофункциональная модель появится не
раньше 2015 года. На данный же момент разработчики представили облегченный
вариант системы для усиления ног. Благодаря встроенным в педали сенсорам
экзоскелет определяет движения и перемещает конечности, а также способен
перераспределять вес с ноги на ногу. Отличительной особенностью новинки
является то, что вся система работает под управлением Linux 2.6. Таким образом,
программные и механические компоненты можно настраивать, подгоняя под
пользователя. А вот цена экзоскелета весьма внушительная: для обычного человека
она составит $223 000, а для исследователей и разработчиков — порядка
$112 000 [1].
Рис.6 Экзоскелет Power Loader
«REX
(RoboticExoskeleton)». В 2010 году
компания Rex Bionics из Новой Зеландии представила экзоскелет, который
разрабатывала на протяжении семи лет. Система предназначена для людей с
нарушенной моторикой нижних конечностей. Экзоскелет выглядит довольно стильно и
не очень громоздкий. Взаимодействие с ним осуществляется джойстиком и панелью
управления.
Уже в этом году компания планирует
запустить поточное производство таких устройств. По сведениям разработчиков,
начальная цена может составить $150 000 . Остается лишь надеяться, что с
развитием технического прогресса цены на экзоскелеты значительно упадут и эти
устройства станут доступны рядовому городскому жителю [1].
Тенденции
развития будущего
Экзоскелетам есть куда совершенствоваться.
А учитывая современные разработки, активное финансирование военной сферы и
скорость развития научных исследований, в скором времени можно ожидать
появления суперкостюмов, аналогичных тем, которые используют главные герои
фильма «Бросок Кобры», и экзоскелетов с наноструктурами, подобных тому, которым
оснастили Алькатраса — главного персонажа компьютерной игры Crysis 2. Однако до
тех пор разработчикам предстоит решить одну из главных проблем —
энергообеспечение экзокостюма. Современные модели пока не в состоянии работать
долгое время из-за небольшой энергоемкости батарей [1].
Как считается, наиболее успешно области
сугубо мирного применения экзоскелетов осваивают японцы. Не секрет, что в этой
стране в силу разных причин (не в последнюю очередь – благодаря массовой
культуре) очень велик интерес к человекоподобным роботам – андроидам. Ну а
бионический костюм представляет собой как бы переходный вариант между
человеком, «усиленным» механическими мускулами, к человекоподобному
механическому «существу». Ученым из Цукубы «наступают на пятки» их коллеги из
университета Канагава, под руководством Кейдзиро Ямамото разработавшие
механизированный экзоскелет, который позволит медсёстрам и врачам поднимать
пациентов с кровати, не прилагая к этому никаких усилий. Во время испытаний
прототипа устройства медсестра весом 64 килограмма смогла поднять на руки и
перенести пациента, весящего больше, чем она, - 70 килограмм. Экзоскелет
представляет собой металлический каркас с пятью пневматическими приводами: по
одному для каждого локтя и каждого колена и один на пояснице. Сигналы, приводящие их в движение, поступают
от микрокомпьютера, который считывает данные с чувствительных пластинок,
размещенных на всех основных группах мышц, и пытается управлять экзоскелетом
таким образом, чтобы он копировал движения одетого в него человека [2].
Прототип, который изготовила группа
Ямамото, пока не слишком практичен: он весит 16 килограмм, и человеку, одевшему
его, приходится таскать за собой чудовищную путаницу из проводов и шлангов, по
которым к сервомеханизмам подается сжатый воздух. Кроме того, его цена также
малоприемлема: он стоит более 21000 долларов. Однако, по утверждению Ямамото,
все трудности устранимы, и они будут устранены в самое ближайшее время.
Переработка конструкции экзоскелета, которая устранит необходимость в подаче
электричества и сжатого воздуха извне, уже начата. Машина станет легче и
дешевле, и, как полагает Ямамото, уже через два года медицинские учреждения
смогут приобрести улучшенных «потомков» нынешнего экзоскелета за 250-300
долларов [2].
Литература
1.
Журнал «CHIP»
№7, 2011 г. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.chip.ua/stati/go-digital/2011/07/ekzoskelety-supervozmozhnosti-dlya-cheloveka,
свободный.
2.
Сайт «ПОСЛЕЗАВТРА»
[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://poslezavtra.org.ua/?tag=ekzoskelet,
свободный.
3.
Сайт
«УНЕСЕННЫЕ СТАЛКЕРОМ» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://trendclub.ru/3304, свободный.
4.
Яцун, С.Ф. Применение
мехатронных систем [Текст]: Учеб. пособие/ С.Ф. Яцун, А.Н. Рукавицын// Курск:
Изд-во ЮЗГУ, 2011. -180с.
5.
Яцун, С.Ф..
Исследование динамики движения манжеты реабилитационного устройства совместно с
рукой человека [Текст]: / С.Ф. Яцун, Е.С.
Тарасова., А.И. Жакин// Известия ЮЗГУ №1 (40), 2012.- С.35-41