Фотография из Института Висса при Гарвардском университете.
ExosuitsНосимые роботизированные устройства, повышающие физические возможности человека, всё медленнее уходят из области фантастики и становятся действительностью. В этом году учёные продемонстрировали экзоскелет, который, по-видимому, достиг новой отметки, облегчая пользователям ходьбу и бег.
Эксзокостюм – результат совместной работы исследователей из Института биологического вдохновения Wyss Гарвардского университета, Университета Небраски Омаха и Университета Чунг-Анг в Сеуле, Южная Корея. Более точно назвать его следует парой экзошортов: устройство лёгкое, полностью мобильное и выполнено преимущественно из гибкого материала (за исключением аккумулятора и моторного блока). Работает оно путём использования двигателей для натяжения тросов, которые помогают естественным образом оптимально растягивать бедра во время движения ног. Это должно уменьшить количество энергии, затрачиваемой организмом на передвижение.
По мнению Филиппа Малкольма, эксперта по биомеханике университета штата Небраска в Омахе и старшего научного сотрудника проекта, предыдущие экзокостюмы уже могли снижать энергетические затраты на ходьбу. Более новые мягкие экзокостюмы также смогли это сделать без ощущения жесткости и ограничения диапазона движений. С портативными технологиями, повышающими способность человека к бегу, было меньше успеха, поскольку бег зависит от других движений суставов и тела, нежели при ходьбе. Хотя человек может легко перейти от ходьбы к бегу в любой момент, то же самое нельзя сказать об экзоскелетах.
Чтобы помогать не только бегу и ходьбе, команде нужна система, — сказал Малкольм. Чтобы преодолеть это препятствие, команда разработала алгоритм, который определяет, бежит ли человек или идет. В зависимости от движения, алгоритм переключается на необходимый «профиль силы», чтобы экзоскелет мог выполнять свою работу.
Изображение: J. Kim и др. (Science)
Создав прототип, исследователи проверили его на здоровых добровольцах в различных сценариях ходьбы и бега, в том числе на беговой дорожке или во время подъема в гору. Во время испытаний измерялось количество энергии, затрачиваемой добровольцами, отслеживалось потребление кислорода. Результаты экспериментов, опубликованные в четверг в Science, являются скромными, но впечатляющими.
«Мы зафиксировали 9-процентное сокращение потребления энергии при ходьбе и 4-процентное – при беге», — заявил Малкольм. «Другие устройства, работающие только во время ходьбы или бега, показали существенное снижение. Но полученные [сокращения] статистически значимы и находятся в диапазоне, где ожидается повышение производительности».
В ходе ходьбы или бега экзокостюм может уменьшить объём талии на 7 или 5 килограммов соответственно. Однако для подтверждения, что устройство способно помочь обычному человеку бегать дольше и быстрее, требуются дополнительные исследования. В текущем дизайне есть место для улучшений. Например, команда работает над системой, которая весит всего 2,7 килограмма, вместо нынешних 5.
Экзошорты требуют некоторого обучения, но не очень сложны.
Мы протестировали устройство с людьми, уже занимавшимися несколько сеансов в настоящем костюме, поэтому вам понадобится время, чтобы привыкнуть и научиться пользоваться системой, — сказал Малкольм. «Но никаких конкретных инструкций нет. Просто наденьте все это и бегайте некоторое время».
Исследование дает представление о будущем этих устройств, которые можно изменять для разных целей и функций в зависимости от ситуации. Малколм считает, что экзоскелеты с поддержкой спины помогут людям переносить тяжелые грузы с меньшим риском травм, а другие — лучше реабилитироваться или ориентироваться людям с ограниченными возможностями.
Чтобы войти в научную сферу, можно соединить экзокостюмы с имплантами, позволяющими мозгу взаимодействовать с устройствами и управлять ими как второй конечностью. Такое сочетание может привести к созданию нейропротезов, влияющих на движение человека или ему помогающих.
Действие этих костюмов всё ещё ощущается.
В этом году компания ReWalk Robotics из Бостона начала продавать систему мягкого экзокостюма для клиник по физической реабилитации, основанную на технологиях, разработанных гарвардской командой. Экзо-костюм ReStore, получивший в июне одобрение Управления по контролю за продуктами и лекарствами как медицинское устройство, предназначен для помощи в физической терапии людей с инвалидностью нижних конечностей, вызванной инсультом. Костюм в основном ориентирован на лодыжки, а не бедра, но использует тот же базовый принцип для помощи людям во время ходьбы.