Экзоскелеты будущего будут плотно прилегающими костюмами

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.