X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Экзоскелет (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей.

Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Для определения этих пропорций следует пользоваться понятием анатомическая параметризация.

Анатомическая параметризация — это определение соответствий между различными анатомическими характеристиками строения человеческого тела и параметрами механического устройства, обуславливающих оптимальную работу образующейся при этом биомеханической системы.

По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в России, Японии, США и Израиле. Экзоскелет может быть встроен в скафандр.

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и ВС США в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего никогда не проверялся с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял 750 кг, что в два раза превышало подъемную мощность. Без получения вместе всех компонентов для работы практическое применение проекта Hardiman было ограничено.

Экзоскелет ReWalk, разработанный ReWalk Robotics, позволяет парализованным людям ходить. Новая система, по словам исследователей, может применяться пациентами в повседневной жизни [6].

Цель работы - характеристика применения экзоскелетов в современном мире.

Для решения этой цели в работе были выдвинуты следующие задачи:

Классифицировать и дать оценку.

Определить полезность при заболевании ПОДА (поражение опорно-двигательного аппарата), инсульта.

Определить полезность как военного оборудования

Определить полезность как оборудования для использования службами спасения

Экзоскелеты, созданные на сегодняшний день, или находящиеся в стадии перспективных разработок, могут быть классифицированы по следующим признакам:

Тип исполнительного механизма

Наличие привода усиления сочленений

Анатомическое расположение усиленных сочленений

Наличие встроенного источника энергии

Вид используемого силового привода

Способ получения управляющего сигнала

Тип силовой установки и источника энергии

Область практического применения

Главным направлением разработок является военное применение экзоскелетов. Ее целью является создание брони, которая совместила в себе огневую мощь и бронирование танка, подвижность и скорость человека, и в несколько раз увеличивающей силу того, кто использует экзоскелет. 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.

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.

Первое известное устройство, предназначенное для ускорения и облегчения ходьбы и бега – эластипед, запатентованный русским изобретателем Николаем Ягном. Первый экзоскелет был создан компанией General Electric в сотрудничестве с ВС США в 60-х годах XX века. Первый силовой шагающий экзоскелет на пневматическом приводе разработан Миомиром Вукобратовичем в Белграде в 1969 году, аппарат давал возможность людям с параличом нижних конечностей передвигать ноги. Усовершенствованный опытный образец этого устройства имеется в экспозиции Политехнического музея [6].

Работы по созданию российского экзоскелета были начаты в СССР на основе результатов работы Вукобратовича, переданных в Центральный институт травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова в рамках советско-югославского сотрудничества, но с началом перестройки финансирование проекта прекратилось. Возобновление работ произошло только в 2011 году в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» [6].

Первый функционирующий пассивный экзоскелет разрабатывался для нужд МЧС России, в частности, для работы спасателей и пожарных. Устройство представляет интерес и для вооруженных сил, в качестве экипировки штурмовых отрядов.

Благодаря особой конструкции, устройство позволяет перераспределить вес таким образом, чтобы человек-оператор без использования дополнительных двигателей или источников питания мог переносить до 70-100 кг груза. Принимая на себя вес оружия и снаряжения, устройство повышает грузоподъёмность и выносливость бойцов. Вес самого изделия при этом составляет 12 кг. Устройство оборудовано специальным кронштейном для снятия нагрузки с бойцов при переноске штурмового щита весом 35 кг. В конструкции отсутствуют приводы и источники питания, поэтому время работы ограничивается только выносливостью человека-оператора.

Модель экзоскелета была продемонстрирован на «VI Международном салоне Комплексной Безопасности 2013» и награждена золотой медалью в номинации «Лучшие инновационные решения в области комплексной безопасности». Первый действующий российский экзоскелет также был представлен на «Дне инновации Министерства обороны РФ» [6].

Первым шагом в 2011 году выигранный тендер МЧС на создание экзоскелета для аварийно-спасательных задач — для тушения пожаров, разбора завалов и переноса тяжелых грузов. Следующие два года команда робототехников под научным руководством Елены Письменной занимается разработкой пассивного и активного экзоскелетов. Первый не имел источников питания, не боялся огня и при весе в 12 кг позволял переносить тяжести весом до 100. Второй помогал здоровому человеку поднимать и вовсе до 200 килограммов.

В 2013 г. произошло объединение научно-инженерной команды с менеджерами: чтобы превратить высокотехнологичную разработку в продукт. Команда Елены Письменной решает переформулировать задачу на будущее и сделать экзоскелет для медицинских задач. К проекту присоединяются Михаил Крундышев, долгое время возглавлявший российское представительство BBK, и Екатерина Березий, которая руководила до этого отделом маркетинга и продаж крупного автомобильного ритейлера. Возникает компания «ЭкзоАтлет», на базе которой начинается разработка медицинского экзоскелета. Разработка медицинского экзоскелета для реабилитации началась в декабре 2013 года в рамках проекта «ЭкзоАтлет». В команде проекта около 20 сотрудников. Основателем и руководителем проекта является Екатерина Березий. Научным руководителем выступает Письменная Елена Валентиновна, старший научный сотрудник НИИ Механики МГУ.[ 2]

В июне 2015 года проект ExoAtlet был представлен на стенде Сколково на крупнейшей международной робототехнической выставке Innorobo 2015 в Лионе, Франция. В 2015 же году начались клинические испытания продукта. Площадкой для их проведения стало отделение реабилитации Национального медико-хирургического Центра им. Н. И. Пирогова.

В настоящее время уже собрано несколько версий действующих прототипов экзоскелетов. Команда ЭкзоАтлета активно участвует в различных мероприятиях и выставках, как робототехнической, так и медицинской направленности.[3]

Руководитель неврологического отделения, заведующий кафедрой неврологии факультета усовершенствования врачей ГБУЗ МО МОНИКИ, доктор медицинских наук, профессор Сергей Котов утверждает, что у нас в голове есть клетки Беца. Они передают информацию из головного мозга в спинной мозг. Когда происходит инсульт, пути от клеток Беца к спинному мозгу повреждены. И, в результате, идет сигнал на выполнение правильного движения, но он не доходит до мышц. В результате мышцы просто напрягаются, и возникает сильный тонус, который тоже очень вредит правильным движениям. У пациента сначала снимают этот тонус с помощью инъекций ботулотоксина, а уже потом, с помощью экзоскелета, заставляем работать ее правильно .[2] .

Экзоскелет восстанавливает весь комплекс: ходьба, поддержание позы, поддержание баланса. Кроме того, идет мощное воздействие на эмоциональную сферу: человек снова может ходить! В результате, как отмечают медики, — человек выходит из постинсультной депрессии, а вместе с тем улучшается речь, способность к ориентации, выполнение команд. То есть, тренируется не только способность ходить, но и мыслить.

На данный момент идут пилотные исследования тренировок в "Экзоатлете", как показано на рисунке 1. Подбираются достаточно "легкие" пациенты. Дальше, когда будет накоплен опыт и доказана безопасность устройства, можно будет перейти к "тяжелым" больным [2].

Рисунок 1 - Роман Чехунов тренируется в "Экзоскелете" © РИА Новости /А.Урманцева.[2]

HAL (англ. HybridAssistiveLimb)— экспериментальный экзоскелет, разработанный в университете Цукубы (Япония) японской робототехнической компанией Cyberdyne. На данный момент разработано два прототипа  HAL 3 (восстановление двигательной функции ног) и HAL 5 (восстановление работы рук, ног и торса). При помощи HAL 5 оператор способен поднимать и переносить предметы, в пять раз превышающие по массе максимальную нагрузку при обычных условиях.

Сервоприводы приводятся в действие электрическими импульсами, вырабатываемыми мускулами и улавливаемыми прикрепленными к коже оператора электродами. Эти импульсы поступают во встроенный компьютер, который оценивает нагрузки и активирует необходимые сервоприводы экзоскелета. Сам экзоскелет питается от батареи напряжением в 100 вольт, прикрепленной к талии.

С 2008 года появляется возможность аренды экзоскелета. Модель весом в 10 килограмм обслуживает только работу ног и крепится к талии и ногам. Также доступна модель для одной ноги [6].

С 2013 года HAL применяется в ряде клиник Японии для реабилитации пациентов с хроническими заболеваниями нервной и мышечной систем. В августе 2013 года технология прошла сертификацию TÜV Rheinland Group, что позволяет применять её на территории Евросоюза. Германия является единственной после Японии страной, где HAL применяется в терапевтических целях в качестве HAL-терапии [6].

HAL предназначен для людей, страдающих двигательной дисфункцией, пожилых людей, а также для работ, требующих повышенной физической нагрузки — строительства и спасения во время катастроф. HAL дает возможность долгосрочной реабилитации пациентами с ограниченными возможностями. Кроме того, научные исследования показали, что в сочетании со специально созданными терапевтическими играми экзоскелеты подобные HAL-5, могут стимулировать познавательные способности ребёнка и помогать детям-инвалидам научиться ходить с помощью игры. Дальнейшие научные исследования показали, что HAL-терапия может быть эффективно использована для реабилитации после травмы спинного мозга или после инсульта.

Экзоскелет, используемый в центре WALK AGAIN (рисунок 2), который производится японской компанией Cyberdyne, представляет собой роботизированный аппарат для нижних конечностей из специального материала, который сочетает в себе легкость наряду с прочностью. Данный экзоскелет носит название HAL (сокращение от Hybrid Assistive Limb), что в переводе означает «гибридная вспомогательная конечность».

Рисунок 2 - Экзоскелет Hal 5 [5]

Ключевым условием для применения в реабилитации HAL-терапии является наличие остаточных двигательных функций в нижних конечностях или хотя бы импульсов, с которыми сможет работать аппарат. Таким образом после предварительной оценки о возможности применения экзоскелета в каждом конкретном случае этот метод может эффективно применяться при достаточно широком спектре заболеваний: Травма спинного мозга; инсульт; черепно-мозговая травма; рассеянный склероз; нейродегенеративные заболевания; мышечная дистрофия; нервно-мышечные заболевания.

Исследования и клинический опыт показали, что, например, у большинства пациентов с травматической болезнью спинного мозга максимальный эффект наблюдается в течение первых трех месяцев. Основной целью такой реабилитации является улучшение навыков ходьбы, а также увеличение мышечной массы нижних конечностей. Научные исследования показали следующие улучшения: увеличение скорости ходьбы, снижение потребности в вспомогательных средствах, улучшение чувствительности, уменьшение спастики, уменьшение нейропатических болей, увеличение мышечной массы нижних конечностей, реактивация затронутых отделов мозга, сокращение времени реабилитации[5].

TALOS (англ. Tactical Assault Light Operator Suit)  проект разработки перспективного американского роботизированного экзоскелета для спецназа вооружённых сил. Предполагается, что конструкция систем TALOS будет обеспечивать связь, управление, навигацию, контроль за жизнеобеспечением своего обладателя, а также  его защиту с помощью, так называемой, «жидкой керамической брони», которая основана на технологиях нано-частиц, взаимодействующих с кевларовыми волокнами бронежилета.

В начале проекта, в качестве основных направлений работы заявлялось достижение следующих целей: оптимальное распределение веса солдата и его снаряжения на несущие компоненты системы.

Полная баллистическая защита всей поверхности тела самыми современными средствами, Низкое энергопотребление, Светошумовая скрытность использования,

Интегрированные системы терморегулирования и биомедицинского контроля за состоянием человека, а также — встроенные компоненты для оказания первой медицинской помощи при ранении, система непрерывного мониторинга окружающей обстановки, полный вес не более 180 кг при обеспечении энергопотребления мощностью 12 кВт в течение 12 часов.

Особый интерес у экспертного сообщества вызывает предполагаемое усиление защищённости бойца «жидкой бронёй», которая не будет сказываться на его подвижности. Данная технология основана на использовании необычных неньютоновских свойств жидких суспензий из наночастиц, которые могут эффективно поглощать энергию ударного воздействия моментально затвердевая и распределяя удар пули на значительную площадь обычного кевларового бронежилета.

Командование SOCOM в лице адмирала МакРейвена выразило надежду увидеть полностью завершенный комплект снаряжения не позднее августа 2018 года. В первые четыре года разработки планируется потратить около 80 млн долларов США.

На веб-сайте проекта перечисляются 55 промышленных, 20 государственных и 12 академических учреждений. Среди участников проекта упоминается Массачусетский технологический институт, Гарвардский университет, Калифорнийский университет, Университет Делавэра, Мичиганский университет, корпорации Boeing, Lockheed Martin, Raytheon, Adidas, NPR, Nike, Red Bull, Air Force, Ekso Labsи др. [6].

Командование сил специальных операций США объявило о завершении основных проектных работ и начале сборки первого полнофункционального прототипа бронированного экзоскелета TALOS (Tactical Assault Light Operator Suit) (рисунок 3).

По словам полковника Джеймса Миллера, руководителя подразделения в составе ССО, разрабатывающего экзоскелет TALOS, новая броня является системой систем.

Как рассказал Миллер, TALOS состоит из нескольких ключевых элементов (экзоскелета, системы питания, бронирования, электронных датчиков и других элементов), которые было непросто соединить в комплекс, но команда инженеров преодолела основные трудности и перешла к сборке первого полнофункционального прототипа.

Рисунок 3 - Опытный образец бронированного экзоскелета TALOS

Экзоскелет TALOS состоит из 800 деталей, 26 из которых – элементы бронирования. Благодаря эргономичности броня не будет сковывать движения, а система электроприводов позволит увеличить силу и выносливость солдат. К экзоскелету будет прилагаться шлем с полной защитой головы, встроенной компьютерной системой и оптическими датчиками [1].

Заключение. Для заключения скажу от себя. В перспективе на будущее протезирование и создание, а также использование экзоскелетов, либо искусственных органов являются большим плюсом, и сильным упрощением, а также продлением жизни.

Развитие протезирования играют большую роль в медицине, в особенности для людей не имеющих, либо лишившихся некоторых конечностей. Единственной проблемой является стоимость этого оборудования и его обслуживание. В дальнейшим будущем я надеюсь, что каждый 10, а то и 5 человек будет иметь небольшой практичный бытовой, производственный или какой-либо другой тип экзоскелета.

Также широкое применение считается перспективным в космической, военной, производственной сферах.

Как для меня кибернетезация, и биомеханизация человека имеет большой смысл как следующий шаг к эволюции. Продление жизни с помощью искусственных органов, улучшения физических возможностей ипользуя экзоскелетов, модернизация органов чувств и многое тому подобное, для меня звучит как то самое будущее, к которому надо стремиться.

Список литературы

1. Бронированный экзоскелет TALOS официально перешел на стадию сборки. Автор: Web admin.- Режим доступа: https://zbroya.info/ru/blog/12887_bronirovannyi-ekzoskelet-talos-ofitsialno-pereshel-na-stadiiu-sborki/ (Дата обращения 02.12.2017 2:51 по мск.)

2.Начались "полевые испытания" российского экзоскелета "Экзоатлет"./ © РИА Новости.- Режим доступа: https://ria.ru/science/20170621/1497000588.html (Дата обращения 08.12.2017 00:06 по мск.)

3. О проекте. Экзоатлет(ExoAtlet).- Режим доступа:

https://www.exoatlet.com/ru/about (дата обращения 03.12.2017 23:13 по мск.)

4. Пять реальных экзоскелетов.- Канал youtube: MegaShowTV

Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=IG9HwQcEUkY (дата обращения 01.12.2017 1:02 по мск.)

5. Реабилитация. HAL-терапия: Реабилитация при помощи экзоскелета HAL® (Hybrid Assistive Limb).- Режим Доступа: http://walk-again.ru/reabilitaciya_hal/ (дата обращения 29.11.2017 22:57 по мск.)

6. Экзоскелет. Материал из Википедии — свободной энциклопедии.- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Экзоскелет (дата обращения 02.12.2017 2:12 по мск.)

Код для цитирования: Скопировать