Экзоскелет: от фантастики к реальности

Экзоскелеты перестают быть экзотикой и все более активно используются для реабилитации и в быту

Фото: vk.com/exoatlet

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.

REX

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.

Ekso GT

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.

ReWalk

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.

HAL

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.

Indego

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-1.5 млн рублей

http://dislife.ru/materials/731