Альтернатива роботу: экзоскелет помогает людям в тяжелой работе и восстановлении после травм

Андрей Мазур редактор

Екатерина Степаненко редактор

Слушать новость

Читати українською

Изменить размер

А+

а-

МаленькийСреднийБольшой

17 сентября 2018, 04:59

В закладки

Копировать ссылку

Ссылка скопирована

Выручит в бою, облегчит тяжелый труд и поможет встать на ноги

Общественное мнение постепенно смиряется с мыслью, что во многих видах деятельности людей очень скоро заменят роботы. Кто-то рассматривает подобный сценарий как катастрофу, кто-то радуется избавлению миллионов от рутинной неинтересной работы. Но еще полвека назад наметился другой вариант взаимодействия человека и машины — который предусматривает "всего лишь" дополнение наших мышц и суставов мощными моторами и прочными рычагами.

Устройство: разберем экзоскелет на составляющие

Каковы бы ни были успехи в разработке искусственного интеллекта (ИИ), до способностей мозга Homo Sapiens ему очень и очень далеко. Кроме того, искусственные конечности никак не сравнятся с нашими руками и ногами. Одним словом, роботы-андроиды "как в кино" появятся еще не скоро.

С другой стороны, есть много ситуаций, когда физических возможностей человека явно не хватает. Те усилия, которые тратятся на достижение олимпийских рекордов, наглядно демонстрируют: мы почти достигли пределов человеческого организма в скорости, силе удара, переносимых им перегрузках, массе поднимаемых тяжестей и т. д.

Деоккупация юга страны – как украинские военные отвоевывают территории

Запрет на передвижение по стране для военнообязанных – все детали

Ракетные удары по мирным украинским городам - июль 2022

Ядерный терроризм россии

В связи с этим вполне разумной выглядит идея усилить наши скелет и мышцы до уровня человекоподобного робота. Иными словами, соорудить эдакий то ли каркас, то ли скафандр, который будет в малейших подробностях повторять и одновременно многократно увеличивать мышечные усилия. Такое устройство получило название "экзоскелет" (от греческого — "внешний").

Следует заметить, что экзоскелеты широко используются в животном мире. Моллюски, членистоногие, ракообразные обзавелись ими уже миллионы лет назад. Но предназначение их несколько иное, чем у тех устройств, о которых мы рассказываем. По большому счету экзоскелет какого-нибудь жука или рака выполняет те же функции, что и внутренний скелет млекопитающего.

Всякий экзоскелет состоит из нескольких важнейших составляющих: собственно механического скелета и механизмов, приводящих его в движение. Далее следуют источник энергии и программное обеспечение, управляющее всем устройством так, как это нужно оператору.

Питание

Компактный и емкий источник питания остается больным вопросом для многих технологий, и экзоскелет не исключение. Всем его моторам и микропроцессорам нужна масса энергии, причем на протяжении длительного времени. Кроме того, специфика применения экзоскелета требует возможности мгновенной подачи большого количества энергии (например, при быстром подъеме тяжелого предмета).

Ни один из существующих в наше время источников энергии не может удовлетворить требования для экзоскелета подобного тому, что был в амуниции киношного Железного человека. Аккумуляторные батареи тяжелы и быстро разряжаются. Электрохимические топливные элементы позволяют обеспечить мгновенный выброс энергии, но требуют для работы высоких температур. Атомные реакторы пока из области фантастики. Вполне возможно, что разрешить затруднения поможет беспроводная передача энергии к устройству от удаленного источника энергии. Осталось только реализовать идею на практике.

Материалы

Детали первых экзоскелетов изготовлялись из алюминия и стали. Но, увы, сталь тяжела, что снижало эффективность работы устройства. Сплавы с использованием алюминия легкие, но имеют свойство накапливать усталость, то есть не слишком годятся для больших нагрузок. Выход видится в материалах наподобие титана и углепластиков. Да, выйдет довольно накладно, но эффективно.

Механика

Следующая головная боль инженеров — механизмы, которые приводят экзоскелет в движение (сервоприводы), и всевозможные подвижные сочленения. Их может быть несколько десятков, а то и сотен. Ведь тело человека представляет собой один из сложнейших механизмов в природе. Повторить слаженную работу мышц и суставов механическими средствами — еще та задача…

В качестве приводов нередко использовались гидравлические цилиндры: они мощные и точные, но тяжелы и сложны в конструкции, которая обременена ворохом всевозможных шлангов. Пневматика, наоборот, оказалась мало предсказуемой и неточной при обработке движений оператора.
Будущее видится в сервоприводах, начиненных электроникой, с использованием магнитов. Они смогут обеспечить точность движений, низкое потребление энергии и при небольших размерах. Можете сравнить это с переходом от паровозов к поездам. Подвижность суставов экзоскелета сейчас видится как непростая, но вполне решаемая задача. У разработчиков всевозможных скафандров опыт имеется.

Управление

Программное обеспечение экзоскелета — огромное поле деятельности для разработчиков. Тут предстоит разрешить множество проблем. Например, чтобы механика корректно взаимодействовала с телом человека и не позволяла себе самоуправства. Некорректная работа механизмов будет не просто мешать работе, но может даже покалечить пользователя. Это поняли конструкторы первого экзоскелета еще в 60-х годах прошлого века. Или чтобы экзоскелет игнорировал не относящиеся к делу или непроизвольные движения — то же вздрагивание тела при чихании или кашле, например.

Сверхзадача. Тело человека — самый сложный механизм в природе и тяжело поддается копированию

У истоков: первые робошаги

Устройства, которые можно назвать предтечами экзоскелетов, появились в начале XX в.
Первые же экзоскелеты построили в начале эпохи компьютеров и освоения космоса. Тогда казалось, что науке по силам все. Но применительно к теме нашего разговора, ситуация развивалась так же, как с полетом на Марс и созданием роботов: от завышенных ожиданий поначалу — до потери интереса на долгие десятилетия. А затем — серия прорывов и возрождение всеобщего интереса, уже на базе новых технологий и знаний.

В 1965 г. General Electric представляет экзоскелет Hardiman. При массе 650 кг он обладал грузоподъемностью в 110 кг. При этом оператору для подъема центнера веса нужно было приложить усилие, как если бы груз весил 5 кг. Проект закрыли в 1971 г.: конструкторам не удалось наладить взаимодействие оператора и машины. Управление машиной да и сами механические конечности были далеки от совершенства. Они могли внезапно начать неконтролируемые движения и покалечить оператора, находящегося внутри экзоскелета. Поэтому Hardiman так никогда и не был испытан в работе совместно с человеком.

Оператор возле Hardiman’а

В 1969 году югославский ученый Миомир Вукобратович представляет экзоскелет, оснащенный пневматическими силовыми приводами. Это устройство было даже способно воспроизводить подобие человеческой походки. В истории науки и техники именно творение Вукобратовича считают прообразом медицинских экзоскелетов и современных человекоподобных шагающих роботов.

Югославия. Труды Вукобратовича легли в основу шагающих роботов

Наш опыт: доступно и качественно

Киевлянин Антон Головаченко несколько лет назад предложил для людей с инвалидностью устройство собственной разработки. Полное его название — UniExo, или "универсальный медицинский роботизированный экзоскелет".

Применение: для войны, работы и помощи

Сферы применения экзоскелетов определились еще в те времена, когда они существовали только на страницах научной фантастики. Наиболее оправданно их использование в экстремальных ситуациях, например во время войны или спасательных операций. Здесь экономические аспекты отходят на задний план в сравнении с повышением эффективности. Но в этих областях важна свобода движений пользователя экзоскелета. И здесь пока ничего, полностью удовлетворяющего заказчиков, не предложено. Еще одна сфера использования экзоскелетов — возвращение свободы действий людям, лишенным возможности передвигаться по каким-либо причинам.

EksoVest. Пример использования экзоскелета на производстве. В прошлом году компания Ford начала использовать на 18 своих заводах устройство EksoVest. Оно крепится к поясу работника и представляет собой конструкцию, принимающую на себя часть нагрузки, приходящейся на руки и торс рабочего. Дело в том, что рабочие на сборочных линиях делают тысячи однообразных движений за смену, но заменить их роботами-манипуляторами не получается по технологическим и экономическим соображениям. Большую часть этой рутины рабочие выполняют на уровне груди и головы. EksoVest поддерживает руки работника и снимает с них часть нагрузки при работе с увесистыми инструментами. В результате удалось заметно снизить усталость и травматизм. Любопытно, что устройство это сугубо механическое, состоит из рычагов и пружин.

EksoVest. Разгружает плечи и руки рабочих при сборке автомобилей

ReWalk. Бионический костюм ReWalk позволяет людям со сложными повреждениями спинного мозга и позвоночника передвигаться без коляски. Но человеку нужны "работающие" руки и плечи: пока что при ходьбе с помощью этого приспособления нужны костыли для сохранения равновесия. Экзоскелет состоит из ранца с блоком управления и батареей, моторизованных "бедер", шарниров и пульта управления в виде браслета. С пульта даются команды на движение и остановку. Полностью заряженной батареи хватает на четыре часа движения. Увы, такая необходимая многим машина весьма недешева — около $70 тыс.

ReWalk. Позволяет сойти с коляски людям с травмами спины

Exosuit. Подводный экзоскелет-скафандр Exosuit от компании Nuytco Research позволяет выполнять всевозможные работы на глубинах, прежде доступных только подводным лодкам или беспилотным аппаратам. Оператор передвигается при помощи двигателей на ногах экзоскелета. Верхние конечности оснащены зацепами и захватами для работы с различными инструментами и объектами. Свободу действий водолазу обеспечивают 18 вращающихся соединений на руках и ногах. Стоимость чудо-устройства тоже впечатляет — $600 тыс.

Экзоскелеты в кино и книгах

Старшее поколение, еще читавшее бумажные книги, познакомилось с идеей экзосклетов из двух книг. Во-первых, из "Туманности Андромеды" Ивана Ефремова (опубликована в 1957 г.). В романе описан "прыгающий скелет", который одевался поверх скафандра и облегчал передвижение на планетах с большой силой тяжести. Во-вторых — из "Звездного десанта" Роберта Хайнлайна, увидевшего свет в 1959 г.: там впервые описано использование экзоскелета в военных целях.

Более молодое поколение может вспомнить фильм "Чужие" 1986 г. Там героиня Сигурни Уивер вступает в решающий бой с инопланетной нечистью, вооружившись экзоскелетом Caterpillar P-5000.
В 2008 г. выходит на экраны "Железный человек". Похождения очередного персонажа комиксов полностью крутятся вокруг экзоскелета, наделенного недостижимыми пока свойствами.