Не так давно дети с редкой неврологической болезнью впервые получили возможность ходить, благодаря новому роботизированному экзоскелету. Эти устройства — которые по сути являются роботизированными костюмами, придающими искусственное движение конечностям пользователя, — становятся все более распространенным способом помощи людям, не имеющим возможности использовать ноги для ходьбы. Но в то время как современные экзоскелеты в основном неуклюжие, тяжелые устройства, новые технологии могут сделать их куда более простыми в использовании и более естественными. Вы уже, наверное, догадались, к чему все идет: к искусственной коже.

Экзоскелеты разрабатываются с 1960-х годов. Первый экзоскелет был громоздким набором ног и когтистых перчаток, лишь отдаленно напоминающий костюм «Железного человека». Он должен был использовать силу гидравлики в помощь промышленным работникам, чтобы те поднимали сотни килограммов веса. Тот проект был неудачным и не работал, но последующие варианты становились все лучше и лучше. Сегодня люди, наконец, могут использовать экзоскелеты для частичного усиления собственных возможностей, заново учиться ходить с их помощью или даже взаимодействовать с компьютерами, используя прикосновения или «тактильную» отдачу.

Обычно эти устройства состоят из цепи звеньев и силовых суставов, которые работают в паре с собственными костями и суставами человека. Искусственные конечности надежно крепятся к конечностям человека и продолжают его движения. Управление экзоскелетом может осуществляться с помощью компьютера — например, если он выполняет подпрограмму физиотерапии — или за счет мониторинга электрической активности в мышцах пользователя и поддержки силы, которую они создают.

Тяжелый и болезненный
Несмотря на полвека исследований, экзоскелеты до сих пор не используются повсеместно. Во многом это потому, что их было неудобно носить в течение длительных периодов времени, ведь тела людей отличаются от костюмов, которые делаются как одно прокрустово ложе. Некоторые экзоскелеты лучше подходят к телу человека, но если роботизированные суставы и реальные суставы пользователя не будут поворачиваться синхронно, может возникнуть дискомфорт или боль. Все это усугубляется еще и жесткостью каждой части костюма.

Еще одна проблема, особенно у экзоскелетов для верхней части тела, заключается в их весе, поскольку их делают из прочных материалов, способных удерживать тяжелые веса и поддерживать тело. Современные костюмы также не очень хорошо справляются с изменениями температуры или дождем, что усложняет их использование в реальном мире. А с их внешним видом люди до сих пор не могут свыкнуться.

Чтобы сделать экзоскелеты более практичными и приятными на вид, нам понадобятся инновации: нам придется сделать их «второй кожей», а не гигантским роботизированным костюмом. Обычно экзоскелеты используют тяжелые электромоторы, но в качестве пневматических мускулов можно использовать и легковесные приводы. Они могут прикладывать подобные усилия, что и электромоторы, только весить будут в разы меньше. Такие мускулы состоят из резиновой камеры, окруженной тканым рукавом. Под давлением они увеличиваются в диаметре и сокращаются в длине, толкая сустав. И хоть сделаны они из легких материалов, они могут прикладывать силу, которой хватит для подъема многих сотен килограммов.

Мягкая робототехника
И все же даже эти легкие приводы должны крепиться к жесткой механической конструкции на теле пользователя. Ученые из Центра автономных систем и робототехники Университета Солфорда разрабатывают другую альтернативу: мягкую робототехнику. Эта технология использует физически мягкие продвинутые материалы для тех же задач, которые выполняют традиционные жесткие роботизированные устройства. Они особенно хорошо подходят для взаимодействия с людьми, поскольку мягкое зачастую означает легкое и при столкновении с человеком будет меньше шансов пораниться.

Недавно они разработали новый «мягкий континуумный привод», который изгибается подобно хоботу слона. В отличие от традиционного жесткого роботизированного сустава, встречая сопротивление в одной части тела, он будет изгибаться во всех направлениях по всей своей длине. Надев костюм из плотно прилегающего к телу материала с такими приводами, мы могли бы получить мягкий экзоскелет, который сгибается точно в местах нахождения суставов носителя. Следовательно, костюм вполне подойдет разным пользователям без необходимости механически подгонять или калибровать его. Плюс к этому система легкая, и ее можно носить как одежду вместо громоздкой механической рамы.

Экзоскелеты начинают продаваться на коммерческой основе, и мы, вероятно, увидим много новенького в грядущие годы. В 2012 году парализованная женщина Клэр Ломас даже завершила Лондонский марафон в экзоскелете. Но остается много инженерных проблем, которые придется решить, прежде чем мы увидим широкое применение таких систем. Как минимум нам нужен способ подпитывать эти костюмы без необходимости подключать к сети через каждые полчаса.

Авторы разработки – инженеры «ЦНИИТОЧМАШ». Она стала логическим продолжением уже созданной и принятой на вооружение боевой экипировки . По оценке многих зарубежных и российских экспертов, новинка чем-то напоминает снаряжение персонажей легендарного сериала «Звездные войны».

Экипировка – уникальный комплекс, объединяющий в себе средства защиты, вооружение и титановый экзоскелет. Все это управляется интеллектуальной компьютерной системой.

Голову универсального российского солдата защитит стальной шлем с бронированным стеклом, одновременно выполняющий функции противогаза и оснащенный прибором ночного видения.

Информация о противнике будет отображаться на встроенном дисплее в очках. Сюда же выведутся сведения о здоровье солдата. В критической ситуации костюм окажет первую помощь.

В отличие от современных бронежилетов в экипировке будущего бронежилет будет иметь чешуйчатую структуру, не ограничивающую движения. Помимо этого, «умная» броня сможет приспособиться к изменениям температуры, замаскироваться, ей не страшны ни вода, ни огонь и, благодаря системе опознавания, она сможет отличить своих от чужих.

Титановый экзоскелет является своеобразным усилителем солдата при передвижении. С его помощью он получает дополнительные возможности при переноске тяжелого вооружения на значительные расстояния, а сам он становится намного более выносливым и быстрым.

Ноги солдата будущего надежно защищены специальными пожароустойчивыми сапогами, куда вмонтированы противоминные детекторы, аппаратура подавления радиосигналов мин и источники питания экзоскелета.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock

Смогут ли парализованные люди когда-нибудь снова начать ходить? Корреспондент рассказывает о том, как его парализованный друг стал испытателем механической пары ног и теперь играет в футбол

Мы с Дэниелом Фукучи шагаем по подземному коридору вдоль бетонных стен, освещенных резким светом люминесцентных ламп. Он немного отстает, но справедливости ради стоит заметить, что он частично парализован ниже пояса.

Обычно, опираясь на костыли, Дэниел ковыляет несколько метров и останавливается передохнуть. Но сегодня он двигается довольно резво и быстро переставляет ноги, преодолевая длинный коридор. В чем причина столь внезапного преображения? Экзоскелет.

Необычное приспособление, пристегнутое к его талии и бедрам, приводится в движение двумя моторами по бокам и по очереди выталкивает ноги вперед. На каждом шаге, совершая плавное движение, машина издает характерный звук: "Вжик… Вжик…"

Уже год Дэниел еженедельно приходит в подвал Калифорнийского университета в Беркли, где разместилась лаборатория, и испытывает экзоскелет для пациентов с параличом нижних конечностей.

"Мне показалось, что это может мне помочь, - говорит он. - Так или иначе, играть в робота довольно весело".

Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Изначально экзоскелеты создавались для нужд армии

Разумеется, это не просто игра, а экспериментальная часть исследования ученых из Лаборатории робототехники и эргономики, работающих под руководством эксперта в области робототехники Хомайуна Казеруни.

Первые его опыты по созданию экзоскелетов были направлены на то, чтобы солдаты на поле боя могли поднимать тяжелые предметы. Плодом этой работы стал экзоскелет HULC, лицензию на который приобрела оборонно-техническая компания Lockheed Martin. Но затем Казеруни сменил направление деятельности и вот уже несколько лет трудится над экзоскелетами, которые призваны помочь инвалидам.

В 2011 году в центре внимания общественности оказался разработанный его группой экзоскелет. С помощью этой разработки студент Калифорнийского университета Остин Уитни с параличом нижних конечностей смог самостоятельно передвигаться на церемонии вручения диплома.

"Наша цель в том, чтобы повысить самостоятельность людей с двигательными нарушениями, дав им возможность ходить", - поясняет Казеруни (студенты обращаются к нему просто "Каз").

Экзоскелет для него - не просто приспособление для прогулки, а ключ к независимому существованию.

"Чтобы добиться этой цели, я намерен использовать все знания и ресурсы, которые у меня есть, - говорит он. - Я не остановлюсь, пока не сделаю для людей с двигательными нарушениями все возможное. Это часть моего существования. Это то, за что я борюсь каждый день".

Пилоты-испытатели

В решении этой задачи Казеруни помогают такие люди, как Дэниел. С Дэниелом мы дружим с первого класса. Все детство мы колесили на велосипедах по своему пригородному району и играли в баскетбол на школьной площадке. Мы оба были весьма щуплого телосложения, поэтому, начав играть во втором классе, делали ставку на необычную технику броска. Я толкал мяч из положения между ног, а он бросал его, как копье.

Правообладатель иллюстрации Berkeley Robotics Image caption Дэниел Фукучи (справа) и еще один пилот-испытатель лаборатории в Беркли

Много лет спустя, в 1999 году, за несколько недель до отъезда в колледж, я услышал звонок в дверь. На пороге стояли Дэниел и еще один наш друг - они катались на роликовых коньках. Я взял велосипед и присоединился к ним. Как позже оказалось, это была наша с Дэниелом последняя прогулка такого рода.

В конце августа я уже начал учебу в колледже, а Дэниел отдыхал на Гавайях. Однажды утром он отправился на пляж Вайкики покататься на волнах, но через три четверти часа почувствовал в пояснице пульсирующую боль.

Подумав, что он просто не в форме, Дэниел не придал этому значения. А когда через полчаса все же решил вернуться на берег, заметил нарастающую слабость в ногах. Он попробовал отмокнуть в теплой ванне в отеле, но это не помогало, и через несколько часов, убедившись в том, что состояние ухудшается, Дэниел, следуя уговорам отца, беседовавшего с ним по телефону, обратился в больницу. "К тому моменту, - вспоминает он, - я был полностью парализован ниже пояса".

Вскоре ему поставили диагноз: поперечный миелит - редкое неврологическое заболевание, вызванное воспалением спинного мозга. Врачи предполагают, что в случае Дэниела его нервная система оказалась атакована его же собственным иммунитетом.

Согласно данным Национального института неврологических расстройств и инсульта, каждый год эта болезнь поражает 1400 человек, и 33 тыс. американцев страдают от той или иной формы связанной с ней инвалидности. Некоторые пациенты поддаются реабилитации, в то время как другие остаются инвалидами на всю жизнь.

Чувствительность и подвижность ног Дэниела постепенно восстанавливались, но где-то через семь лет положительная динамика пропала, и сегодня он все так же передвигается только на костылях или в инвалидном кресле. Однако чуть больше года назад Дэниел узнал, что лаборатория Казеруни набирает "пилотов-испытателей" для своего нового экзоскелета, и сразу же решил воспользоваться этой возможностью. "Кто откажется от работы, где тебя называют пилотом-испытателем?" - хмыкает он.

Подземная лаборатория спрятана за тяжелой дверью в конце туннеля. На двери наклеен маленький черно-белый портрет Казеруни. Печатными буквами написано: KazLab. Подпись внизу гласит: "Двигаем науку на предельной скорости!"

С первого взгляда лаборатория похожа на гараж любителя мастерить всякую всячину. На рабочих и письменных столах, на книжных полках лежат книги, газеты, скотч, шурупы, болты, гайки и много всего прочего. Высоко на стене можно заметить знак: "KAZLAB. Наши костюмы носят в БУДУЩЕМ".

С потолка свисает один из таких костюмов - похожий на тот, что испытывает Дэниел, но с поддержкой ног по всей длине и с моторами на коленях. За углом скрывается еще одна комната, где висит штук пять похожих приспособлений - это прототипы HULC и еще более ранние модели экзоскелетов.

Правообладатель иллюстрации Getty Image caption Мужчина, парализованный после несчастного случая на стройке, в экзоскелете производства Ekso Bionics

Первые экзоскелеты Казеруни представляли собой крупные, тяжеловесные машины, которые полностью поддерживали спину и ноги надевшего их человека. Каждый шаг, каждое движение было моторизовано.

Большинство экзоскелетов из тех, которые сегодня предлагаются на рынке, сделаны именно по такой модели: например, экзоскелет от Ekso Bionics (ранее Berkeley Bionics) - компании, которую Казеруни основал в 2005 году. Экзоскелеты Ekso Bionics разработаны для использования под присмотром врача в больницах и других медицинских учреждениях, где занимаются реабилитацией пациентов с параплегией и инсультом.

Покинув компанию, Казеруни изменил стратегию: теперь он стремится создавать более простые приспособления, которые можно будет использовать дома, без посторонней помощи. Обычные экзоскелеты стоят сотни тысяч долларов, но он намерен снизить цену до десяти-двадцати тысяч: по-прежнему недешево, но теперь устройство хотя бы теоретически кто-то сможет купить.

Ради этой цели группа исследователей отказалась от стремления к универсальности и разрабатывает минималистичные экзоскелеты, ориентированные на потребности конкретного человека.

Не каждый человек с двигательным расстройством полностью парализован, и не все находятся в одинаковой физической форме. "Получается, у нас есть целый континуум от Усейна Болта до Кристофера Рива, который, как известно, в конце жизни не мог пошевелить ни одной конечностью", - рассуждает аспирант Майкл Маккинли, работающий в лаборатории.

Быстрее, лучше

Поскольку Дэниел может сгибать колени, ему не нужен полноразмерный костюм, поддерживающий ногу по всей длине. Благодаря этому конструкция стала на 4,5 кг легче и даже не похожа на экзоскелет - скорее, это просто моторизованное бедро.

Компоненты добавляются и убираются в зависимости от степени подвижности пользователя. Благодаря модульному подходу массовое производство становится проще и дешевле, поясняет Маккинли.

"Сочетая разные компоненты, можно собрать машину, которая будет полностью соответствовать потребностям человека". Со временем, обещает он, заказать индивидуальный экзоскелет будет так же просто, как получить рецепт на очки.

Дэниел продолжает шагать по коридору за дверью лаборатории, и кажется, что день, о котором говорит Маккинли, наступит совсем скоро. Чтобы сделать шаг, Дэниел нажимает кнопку на ручном пульте.

С нами также аспирант Брэд Перри: он ведет хронометраж прогулки и следит за исправностью машины. Дэниел сообщает ему обо всех неполадках. Сегодня, например, кнопка срабатывает медленнее, чем нужно, и походка получается неровной. Коробочка с электроникой, прилепленная к спине, тоже отклеивается, и Перри постоянно приматывает ее скотчем.

Конечно, многое еще предстоит сделать, но даже в нынешней форме экзоскелет позволяет Дэниелу ходить дольше и быстрее, чем на костылях. "Без него я замечаю, насколько медленнее передвигаюсь - насколько короче стали мои шаги", - говорит он.

Правообладатель иллюстрации Berkeley Robotics Image caption Экзоскелет соответствует потребностям своего хозяина. Например, модель можно облегчить, если человек может самостоятельно сгибать колени

Правда, экзоскелет подходит только для ходьбы по мощеной поверхности - даже простая земля ему не по зубам. Но для людей с двигательными расстройствами и это было бы прорывом, отмечает Казеруни.

Он представляет, что в будущем экзоскелет позволит человеку, сегодня прикованному к инвалидной коляске, самостоятельно добраться до автобусной остановки, доехать до работы, а в офисе - войти в переговорную, подойти к кулеру или дойти до туалета. Это простые, но важные движения, которые могут радикально изменить качество жизни человека.

"Не знаю, заменит ли это устройство инвалидное кресло, - говорит Маккинли. - Но, может быть, и не в этом наша цель". А цель - дать людям инструмент, с помощью которого они обретут самостоятельность. Инвалидная коляска как инструмент весьма эффективна, отмечает ученый. Но сидение в ней в течение длительного времени чревато проблемами со спиной, может приводить к образованию пролежней и в целом плохо сказывается на здоровье. Экзоскелет не только позволит хозяину достать книгу с верхней полки, но и улучшит его здоровье - просто за счет того, что поставит его на ноги.

Дэниел говорит, что экзоскелет ему в основном нужен для реабилитации, чтобы поддерживать мышечный тонус и чувство равновесия. Кроме того, он мог бы ходить с его помощью в тех случаях, когда коляска слишком громоздка, а идти на костылях было бы слишком медленно.

"Одна из вещей, которые мне нравятся в экзоскелетах, - это неинвазивный подход", - отмечает Дэниел. Он кандидат на проведение различных видов операций и применение новых типов лекарств, которые могут помочь ему восстановить подвижность, но экзоскелет позволяет ему добиться этого результата с гораздо меньшими рисками.

Будущее уже наступило

Помимо того, что передвигаться самому - комфортно, экзоскелет позволяет владельцу гораздо более непосредственно общаться с другими людьми. "В инвалидном кресле ты словно в пузыре", - сетует Дэниел. Люди боятся лопнуть этот пузырь и потому реже подходят и общаются с тобой, чем когда ты здоров.

Очень многие моменты в жизни нужно проживать стоя, замечает Дэниел.

"И в этом часть прелести экзоскелетов - они делают тебя нормальным членом общества". Чтобы на тебя взглянули иначе, иногда достаточно, чтобы твои глаза были на уровне глаз других людей. "Качество жизни серьезно меняется за счет общения", - говорит Дэниел.

Например, людям не приходится наклоняться, чтобы пожать тебе руку. "Когда ты встаешь и жмешь руку стоя, в этот жест вкладывается совсем другой смысл, - добавляет он. - Ощущения совсем другие".

Я продолжаю наблюдать, как Дэниел ходит с помощью экзоскелета , и самое поразительное, что это вовсе не кажется мне чем-то необыкновенным. Ученые стремились к простоте конструкции, но, даже зная это, замечаешь, что устройство выглядит на удивление обыденно - оно совсем не похоже на прибор из фантастического фильма.

Возможно, это лучшее подтверждение того, что будущее экзоскелетов уже настало. Нас поражают технологии, которые кажутся нам немыслимыми, и причудливые приспособления, которые позволяют нам делать что-то, о чем мы раньше могли только мечтать. Но электромеханическая машина, которая помогает ходить… Ну да, почему бы и нет?

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Экзоскелет может повысить качество жизни тех людей, которые вынуждены пользоваться инвалидной коляской

Судя по всему, эпоха экзоскелетов не заставит себя долго ждать: по словам Казеруни, новые модели появятся всего через год. Скорее всего, поначалу они будут далеки от совершенства, но технологии постоянно развиваются.

Устройству еще предстоит пройти контроль Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США - что будет непросто, если учесть, что оно предназначается для использования на территории Соединенных Штатов без надзора специалиста.

вопрос, который ставит под сомнение доступность новых устройств, - захотят ли за них платить страховые компании. Но для Казеруни это не имеет большого значения. "Проблемы созданы для того, чтобы их решать, - говорит он. - Мне нечего бояться".

Возможно, сдержанное и даже несколько легкомысленное отношение Дэниела к экзоскелету - это его личная особенность. Ведь и перед лицом внезапного события, перевернувшего всю его жизнь, он не потерял внутреннего равновесия. В день, когда его парализовало, он тоже был спокоен, и даже медсестра в приемном покое не поняла, что он не может ходить, попросив его переместиться на носилки.

"Играть остается теми картами, которые у тебя на руках, - говорит Дэниел. - Не стоит слишком задумываться о картах, которые тебе не достались".

Впрочем, кое-что в его нынешнем состоянии все-таки вызывает у него досаду. По его словам, перед тем как его парализовало, он, наконец, научился делать точный бросок, благодаря чему обыграл меня в баскетбол тем летом. Он больше не играет, но не оставляет надежд - ведь экзоскелеты день ото дня становятся все совершеннее. "Как знать, - говорит он, - может быть, однажды я подпрыгну на этой штуке и заброшу мяч в корзину".

На протяжении всей нашей истории человеку всегда не хватало силы, чтобы поднимать тяжелые предметы, обладать большей силой удара и выносливостью. Но благодаря науке и технике люди все же смогли увеличить свои силовые возможности. Так появились экзоскелеты – специальные костюмы, увеличивающие силу человека посредством внешнего каркаса.

Особенностью этих устройств является их легкость и способность механически повторять все движения человека. Согласитесь, это большое и значимое достижение в современных технологиях, которое находит применение в медицине, военных целях, в местах с радиационной опасностью, строительстве и промышленности.

С помощью экзоскелета солдат может нести больше оружия на себе, он в значительной степени защищен от вражеских пуль, быстрее и активнее в своих движениях. Поскольку основные силы костюм берет на себя, человек сохраняет больше энергии и, конечно, свое здоровье.

А подумайте только, насколько экзоскелет полезен в медицине! Это просто находка для инвалидов, которые полностью потеряли веру в то, что смогут снова ходить, а парализованные смогут двигать своими конечностями силой мысли, будучи в специальном костюме.

Поскольку экзоскелеты - устройства универсальные, их можно применять в любых отраслях жизни человека, где необходима дополнительная сила. Вы их можете встретить в научно-фантастической литературе, комиксах, видеоиграх и фильмах («Чужие», «Железный человек», «Аватар» и другие).

Несмотря на то, что экзоскелеты уже используются людьми в различных ситуациях, они все еще развиваются, требуют усовершенствования в лабораториях и стоят очень дорого. Давайте посмотрим, какой же путь прошли экзоскелеты с момента их создания и по сей день.

История развития экзоскелетов

Первым изобретателем экзоскелета является российский инженер Николай Ягн, который жил и работал в США, и в 1890-х годах запатентовал ряд технологий, которые облегчали ходьбу, бег и прыжки человека. Ягн планировал направить свои разработки в помощь военным.

В 1960-х годах компания General Electric представила миру разработку костюма Hardiman. Это устройство представляло собой модель современного экзоскелета, который мог поднимать объекты весом до 110 кг, работать на воде, суше и даже в космосе. Но при всех этих высоких стремлениях разработка так и не увенчалась успехом из-за слишком тяжелой конструкции и медленной работы.

В 1970-х годах югославский ученый Миомир Вукобратович создал экзоскелет с пневмоприводом, который должен был помочь парализованным людям снова встать на ноги. Российские и европейские ученые впоследствии брали за основу проект Вукобратовича при создании своих технологий. Так, в начале 1980-х годов появился экзоскелет для инвалидов из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова.

Нехватка энергоносителей, медленное течение научно-технического прогресса, развитие материаловедения и прочих смежных наук значительно тормозило развитие экзоскелетов. И только в 2000-х годах появились реальные достижения в этой области.

Ученые из американского агентства научно-военных исследований DARPA в 2007 году создали проект Lady Warrior. Это устройство представляло собой небронированный и невооруженный полный экзоскелет, который должен был только усиливать руки и ноги человека.

Позже в 2008 году компания Cyberdyne представила миру роботизированный костюм HAL, который отличался значительными совершенствованиями, в частности, легким корпусом, встроенным компьютером и работой от автономных аккумуляторов, заряда которых хватало на пару часов непрерывной работы. Основное предназначение экзоскелета - помощь инвалидам и парализованным людям.

В наше время развитие экзоскелетов все больше и больше набирает обороты, и такие компании, как Panasonic, Ekso Bionics, Lockheed Martin, DARPA и другие представляют ежегодно свои устройства на выставках, впечатляя все большей производительностью и технологичными новшествами.

Области применения экзоскелетов

Как вы уже знаете, основными сферами применения экзо­скелетов являются военная и медицинская. Но эти устройства весьма полезны также в таких сферах деятельности, как места с радиационной опасностью, или же при покорении океанских глубин, где робокостюм будет легче и эффективнее обычного скафандра, а также при разборе завалов после землетрясения и в строительстве.

Экзоскелеты в медицине

Роботизированные костюмы - это настоящее новшество в медицинских технологиях. Пациенты, перенесшие серьезные травмы позвоночника и конечностей, парализованные после инсульта люди могут использовать экзоскелет для улучшения качества своей жизни. Но, конечно, не все могут позволить себе такой терапевтический прибор, так как средняя стоимость медицинского экзоскелета 90 тысяч долларов США.

Мы уже упоминали об экзоскелете HAL от Cyberdyne. Его назначение - обеспечить возможность ходить людям с ограниченными возможностями. Есть два основных варианта устройства: HAL-3 и HAL-5. С момента презентации в 2011 году 130 медицинских институтов Японии приняли HAL на службу.

Новейшая модель костюма весит около 10 кг и работает на протяжении 3 часов, если нет перегрузок. Специальные датчики снимают показания с биоэлектрических сигналов, исходящих от мышц, и компьютером производится анализ для расчета силы, применяемой сервомоторами. При этом средняя стоимость устройства не так уж и высока - 4200 долларов США.

ReWalk от Argo Medical Technologies - еще один экзоскелет для людей с ограниченными возможностями. В июне 2014 года Управление продовольствия и медикаментов США одобрило данный экзоскелет, тем самым открыв ему дорогу в коммерческое использование. Система весит около 23,3 кг, работает на базе Windows и предоставляет пользователю работу в трех режимах: идти, сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов США. Устройство может непрерывно работать в течение 8 часов.

В 2015 году компания выпустила новую версию аппарата ReWalk Personal 6.0, который получил несколько улучшений в конструкции - скобки для ног стали тоньше, опорные ремни распределяют вес более равномерно по всему телу, а рюкзак, который ранее содержал процессор, был заменен на менее габаритный кейс. Пациент, облаченный в новый ReWalk, сможет полноценно ходить, приседать и даже подниматься по лестнице.

Все более популярной в медицине становится 3D-печать. С помощью 3D-принтера можно создать экзоскелет под индивидуальные особенности тела пациента. Так, специалисты компании 3D Systems отсканировали тело одной парализованной пациентки и вместе с Ekso Bionics распечатали экзоскелет, который можно с уверенностью назвать роботом. Он создан для людей, потерявших способность самостоятельно передвигаться на своих ногах. Механизм компенсирует мышечную атрофию или паралич, самостоятельно передвигая нижние конечности человека. Устройство сейчас успешно используется в больницах и реабилитационных центрах США.

В России разработкой медицинских экзоскелетов занима­ется команда ученых на базе НИИ механики МГУ. Российский проект экзоскелета для увеличения физических возможностей человека, в том числе для реабилитации людей с нарушениями локомоторных функций, называется ЭкзоАтлет. Система уп­равления построена на сигналах головного мозга, электро­миограммы и в автоматическом режиме обеспечивает передвижение пациента с повторением максимально естественной ходьбы человека, что позволяет существенно ускорить процесс восстановления двигательной и нервной активности.

Благодаря особой конструкции устройство позволяет перераспределить вес таким образом, чтобы человек-оператор без использования дополнительных двигателей или источников питания смог переносить до 100 кг груза. Вес самого устройства при этом составляет 12 кг. Цена экзоскелета колеблется в пределах 30 тысяч долларов США.

Одно из последних достижений в области медицинских экзоскелетов - устройство Phoenix от американской фирмы SuitX. При стоимости 40 тысяч долларов США разработчики позиционируют его как самый доступный бионический экзоскелет. Аппарат состоит из модуля тазобедренного сустава, двух коленных модулей и модулей ног, которые регулируются под индивидуальные потребности каждого пациента. Параметры ходьбы могут быть настроены с помощью физиотерапевта через мобильное приложение для Android. Устройство очень легкое, всего 7 кг, может работать до 4 часов в режиме непрерывной ходьбы на максимальной скорости 3,2 км/час. Примечательно, что разработчики пытаются как можно больше удешевить свой аппарат, используя недорогие сервоприводы и датчики, и обещают, что уже в 2016 году Phoenix будет доступен по цене до 20 тысяч долларов США.

Другие сферы применения экзоскелетов

Экзоскелеты находят применения и в других сферах деятельности человека. Их могут носить строители, сотрудники МЧС, пожарные и спасатели.

К примеру, компания ActiveLink, одно из подразделений Panasonic, в 2015 году выпустила серию экзоскелетов под названием Power Loader, которые предназначены для людей, работающих с тяжелыми грузами на складах и производстве. Power Loader весит 40 кг, позволяет поднимать до 30 кг груза и работает автономно 26 часов. Цена таких экзоскелетов составляет от 5 до 7 тысяч долларов США.

Также в эту серию входит выпущенный недавно экзоскелет AWN-03, разработанный специально для поддержки поясницы. Он автоматически распознает движение пользователя при подъеме и держании тяжелых предметов и посылает сигнал на двигатели для вращения шестерни. Особенности системы в том, что она поднимает верхнюю часть тела пользователя и в результате уменьшает нагрузку на нижнюю часть спины.

Еще один новый костюм от Panasonic называется «Ninja» и помогает пользователю ходить и бегать, например, в прохождении по крутым горным тропам и в лесах.

Помимо экзоскелетов на все тело, все большей популярностью пользуются ограниченные устройства, предназначенные для выполнения специфических задач. Например, экзо­стул Chairless Chair от Noonee позволяет сидеть стоя. Устрой­ство подходит для людей, которые проводят продолжительное время, стоя на месте, например, для операторов конвейерной ленты, кассиров, администраторов супермаркетов, охранников. При активации экзоскелета срабатывают амортизаторы, превращающие его в удобное кресло, которое снимает напряжение в мышцах ног и суставах. Каркас Chairless Chair выполнен из алюминия и углеродного волокна весом всего 2 кг. Батарея на 6В обеспечивает устройство питанием в течение 24 часов.

Среди других устройств можно выделить изобретение от канадской компании Port Hope - ARAIG. Это специаль­ный костюм для геймеров. Он позволяет владельцу физиче­ски чувствовать отдачу от игры. ARAIG - это куртка, которая состоит из декодера, экзоскелета и искусственной кожи. В экзоскелет встроены вибродвигатели, благодаря которым человек реально ощущает разнообразные игровые эффекты: попадание пуль, ударные волны от взрывов, дождь, дрожание земли под гусеницами танков и т.п. В воротнике этого необычного устройства спрятаны 6 динамиков. Важно также и то, что ARAIG совместим с любой игровой платформой, а его стоимость не превышает 300 долларов США.

Экзоскелеты применяются также успешно в космической деятельности. NASA имеет на своей службе экзоскелет Х1, который весит 25 кг и предназначен для поддержания астронавтов в хорошей физической форме в отсутствии земного притяжения, обеспечивая нагрузку мышцам и связкам.

Настоящее и будущее экзоскелетов

Как и все роботизированные устройства, экзоскелеты на пути к своему совершенству сталкиваются со многими проблемами. Если разобрать традиционный экзоскелет на составляющие, вы получите источник питания, механический скелет и программное обеспечение. И если с двумя последними пунктами все ясно, то первый представляет серьезную проблему.

Любой из современных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше устройство работает либо от провода, либо от солнечной батареи. Есть экзоскелеты, работающие на неперезаряжаемых батареях, которые часто приходится менять. В связи с этим разработчики пытаются найти подходящий источник питания для экзоскелетов в виде мощного аккумулятора или, как ни странно, беспроводной передачи энергии. В будущем этот процесс может осуществляться из большого реактора, в том числе и ядерного. Остается только изобрести способ этой передачи.

Когда речь заходит о каркасе, то большинство экзоскелетов созданы из алюминия и стали. Но это слишком тяжелые материалы, которые в значительной мере снижают эффективность костюма. Обеспечить легкость и высокую производительность экзоскелета могут более легкие и прочные материалы, такие как титан или углеродное волокно. На сегодняшний день это очень дорогостоящие материалы, но надеемся, что в будущем они будут более доступны.

Следующей проблемой экзоскелетов являются приводы. Обычно в конструкции робокостюма используются гидравлические цилиндры. Они достаточно мощные и могут работать с высокой точностью. Но эти цилиндры очень тяжелые и тре­буют наличия шлангов и трубок. Решением данной проблемы могут стать пневматические приводы, а также сервоприводы на электронной основе. Эти механизмы будут работать от магнитов, потребляя минимум энергии.

Огромную сложность при создании экзоскелета представляет управление и регулировка движений пользователя. Обычно датчики считывают движения тела человека, и механизм синхронно реагирует на них. Но этого недостаточно. Любое случайное движение может нарушить синхронизацию в управлении, и костюм просто может покалечить пользователя. Поэтому компоненты управления должны заранее обнаруживать случайные движения пользователя вроде чиха или кашля, чтобы не было сбоя в системе.

Все больше ученые работают над интерфейсом мозг-машина, позволяющим управлять экзоскелетом силой мысли. Яркий пример тому - недавно разработанный интерфейс мозг-компьютер из Корейского университета и Технического университета Берлина.

Интерфейс взаимодействует с экзоскелетом через специальную шапку на голове пользователя, записывающую ЭЭГ. Так, сигналы мозга считываются и определяют необходимый режим движения. Такая методика позволяет управлять экзоскелетом даже тем пациентам, которые лишены добровольного контроля за своим телом. Это большое достижение, и теперь ученым остается только доработать технологию, чтобы внедрить ее в жизнь.

Заключение

Рассмотрев особенности экзоскелетов, отметим, что это настоящее чудо техники, превращающее в реальность вещи, которые ранее были невозможны. Это не только инструмент для получения сверхсилы, но и последняя надежда на самостоятельную ходьбу для парализованного человека. Кроме того, любые задачи в промышленности, строительстве и даже космосе также могут быть решены за счет этих технологий.

Но на пути к массовому внедрению в нашу жизнь экзо­скелеты должны преодолеть ряд проблем, в том числе и высо­кую стоимость. Мы уверены, что в будущем эти устройства будут более доступными для обычных людей и станут привычным явлением, как компьютеры и мобильные телефоны, обеспечивая нам жизнь на новом технологическом уровне.

Проект PISCES (Performance Improving Self Contained Exoskeleton for Swimming) посвящен созданию костюма, который поможет человеку плавать так же легко и непринужденно, как это делают пингвины, морские черепахи, дельфины и прочие животные, свободно чувствующие себя в этой стихии.
Военный исследователи давно проектируют механические костюмы(экзоскелеты), которые обеспечивают сверхсилу и сверхчеловеческую выносливость:

XOS от Sarcos(Raytheon)

HULC от Lockheed Martin

Следующий шаг: подводные экзоскелет, который превращает владельца в гигантскую рыбу или пингвина киборга.
Причем подводный вариант может предложить больше выгод в краткосрочной перспективе.

Если верить военным инженерам, то данный экзоскелет действительно окажется чем-то из ряда вон выходящим. В настоящее время существуют две версии этого аппарата: для «нижней» и для «верхней» частей тела. Первая версия питается от серебряно-цинковой аккумуляторной батареи массой 2,4 кг и позволяет достичь скорости 1 м/с, в то время как источником энергии для «верхнего» экзоскелета является собственно мышечная сила человека.

Потенциальные преимущества принципа биологических движителей (пингвины,рыбы,черепахи) в водной среде очевидны.

Значительно повышается скрытность (в отличие от винтовых устройств, демаскирующие факотры ничем не отличаются от фоновых шумов),
Этот проект, несомненно, кардинально изменит порядок проведения подводных военных операций, будь они связаны с наблюдением за объектами или прямыми диверсиями. В данный момент проект находится на стадии разработки, поэтому говорить о стоимости одного такого костюма, как и о том, когда они появятся на вооружении, пока рано.

Peter Neuhaus говорит, что их подводный экзоскелет еще находится в стадии разработки, в последнее время он был сосредоточен на нижней части тела экзоскелет, который позволит инвалидам ходить.

Cyberdyne Inc. эта японская фирма,которая стремится использовать достижения профессора Санкай и его лаборатории в университете Цукуба. "HAL" : Hybrid Control System. "HAL" имеет две системы управления, которые работают в тесном взаимодействии.

Когда человек пытается пройти, мозг посылает электрические импульсы в мышцы. когда они достигают мышц, слабые био-электрические сигналы появляются на поверхности кожи.

Слабые био-электрические сигналы, наблюдаемые на поверхности кожи,считываются системой управления, передаются в анлизатор и на основании этих сигналов блоки питания(привод) генерируют крутящий момент и приводят конечности в действие.

Движения человека могут рассматриваться как совокупность нескольких элементарных движений, как например предложение,которое
которое состоит из нескольких слов. Для данного движения (например встать со стула).

"HAL" собирает небольшие движения из базы данных, затем объединяет их, чтобы сформировать передвижение.
Использование базы данных (которая также автоматически дополняется информацией, которую датчики собирают из организма) "HAL" автономно координирует каждое движение с помощь плавного энергопривода.

HAL-5 Type-B
Спецификация Тип: Носимый робот
Высота 1600 мм Вес Полный около 23 кг (нижней части ок. 15 кг)
Аккумулятор (AC100V) Время непрерывной работы Примерно 2 часа 40 минут
Применение: Ежедневная деятельность (стоя со стула, ходьба, подъем по лестнице),
удержания и поднимать тяжелые предметы и многое другое... способен увеличить вашу силу до 10 раз от нормы.
Гибридная система управления Условия эксплуатации в помещении и на открытом воздухе

Экзоскелеты уже готовы:

Компания предназначает устройство для реабилитации и физических тренировок в медицинских целях, для содейсвия инвалидам, облегчения тяжёлого труда на заводах, для проведения спасательных работ в районах бедствия, а так же в развлекательных целях (прокат $2,200/сутки+ залог).
В 2012 г. на рынках Японии появится роботизированный костюм в помощь престарелым фермерам (собирать урожай из фруктов и овощей, избавляя от болей в спине и спазмов).

PAS находился в разработке почти 15 лет, и в конце концов он увидит реальный мир в 2012 году, после запуска в производство в этом году. Его цена составит $11 000.Разработан профессором Шигеки Тойама и его командой из Токийского университета сельского хозяйства.

Упоминание о подводном экзоскелете в романе Дэвид Брин Sundiver 1979 ,персонаж кит Waldoes
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).
Экзоскелет можно увидеть в таких компьютерных играх как StarCraft, Fallout, STALKER, Crysis; в фильмах Звёздный десант, Бросок Кобры, Железный человек, Район №9