Экзоскелет — слово, которое еще недавно встречалось только на страницах научно-фантастических романов, сегодня становится реальностью. Эти удивительные устройства, наделяющие человека сверхспособностями, уже помогают парализованным людям ходить, рабочим — поднимать тяжести без вреда для спины, а пожарным — пробираться сквозь огонь. Представляем вам 10 самых интересных фактов об экзоскелетах — от биологических прототипов до передовых технологических разработок.
Термин «экзоскелет» пришел из биологии
Само понятие экзоскелета зародилось вовсе не в инженерной среде, а в биологии. Ученые так называют наружный скелет, который находится снаружи тела и защищает его. Такие естественные экзоскелеты характерны для беспозвоночных животных — ракообразных, моллюсков, паукообразных и насекомых. Прочный панцирь краба или твердые надкрылья жука — это и есть природные экзоскелеты. Интересно, что ученые до сих пор изучают их удивительные свойства: например, экзоскелеты древних членистоногих способны сохраняться в окаменелом состоянии сотни миллионов лет благодаря особым воскам, покрывавшим их при жизни.
Первый патент на экзоскелет получил русский изобретатель в XIX веке
История современных экзоскелетов началась задолго до эры робототехники. В 1889–1890 годах русский изобретатель Николай Ягн получил ряд патентов на устройства для облегчения ходьбы, бега и прыжков. Свой аппарат он назвал «эластипед». Одна из конструкций представляла собой пример пассивного экзоскелета, управляемого человеком, а другая содержала баллоны со сжатым газом и стала прототипом активного экзоскелета. К сожалению, рабочий прототип так и не был создан, но идея оказалась гениальной и опередила свое время.
Первый действующий экзоскелет весил 680 кг и был неуправляем
Настоящий прорыв произошел в 1960-х годах, когда компания General Electric совместно с военно-морским флотом США разработала экзоскелет Hardiman. Проект финансировался Пентагоном и ставил амбициозные цели: увеличить силу оператора в 25 раз. Технические характеристики впечатляли: конструкция могла поднимать 110 кг при усилии, которое оператор прилагал для подъема 4,5 кг.
Однако вес самого устройства составлял 680 кг, что вдвое превышало его подъемную мощность. Главная проблема заключалась в управлении: любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением. Hardiman никогда не испытывался с человеком внутри, а проект закрыли в 1971 году. Несмотря на провал, он остался в истории как научный прорыв, вдохновивший исследователей по всему миру.
Экзоскелеты бывают пассивными и активными
Современные экзоскелеты делятся на два основных типа по источнику энергии. Пассивные экзоскелеты не имеют двигателей и аккумуляторов. Они работают за счет пружин, амортизаторов и эластичных материалов, накапливающих кинетическую энергию человека при движении и отдающих ее при необходимости. Такие устройства просты, надежны и не требуют подзарядки.
Активные экзоскелеты оснащены электродвигателями, гидравлическими или пневматическими приводами. Они генерируют дополнительную энергию для движения и способны многократно усиливать силу человека. Однако они тяжелее, сложнее и зависят от источников питания. Например, японский экзоскелет HAL (Hybrid Assistive Limb) весит 23 кг, а американский X1 от NASA — 26 кг.
Существуют экзоскелеты для военных, спасателей и даже космонавтов
Области применения экзоскелетов постоянно расширяются. Военные разработки сосредоточены на создании многофункциональных систем, повышающих мобильность солдат. Интеграция экзоскелета в экипировку позволяет превратить его в универсальную платформу: он может выполнять функции электрогенератора, хранилища аккумуляторов, каркаса для бронезащиты и даже антенной системы.
Спасатели и пожарные тоже нуждаются в экзоскелетах. Пассивные системы помогают снизить нагрузку при ношении тяжелого снаряжения (до 25 кг), включая дыхательные аппараты и инструменты. Активные экзоскелеты позволяют преодолевать завалы и лестничные марши без снижения скорости действий. Для космоса разрабатываются специальные экзоскелеты, которые могут использоваться для выполнения работ на орбите и реабилитации космонавтов после длительных полетов.
Медицинские экзоскелеты возвращают способность ходить парализованным людям
Пожалуй, самое важное применение экзоскелетов — медицинская реабилитация. Устройства помогают людям с травмами спинного мозга, последствиями инсульта и другими нарушениями опорно-двигательного аппарата. Израильская компания ReWalk Robotics разработала экзоскелет ReWalk, позволяющий парализованным людям ходить в повседневной жизни.
Японская компания Cyberdyne создала экзоскелет HAL (Hybrid Assistive Limb), оснащенный специальными датчиками, которые улавливают нервные сигналы пациента и преобразуют их в команды мышцам. Предполагается, что такая обратная связь помогает парализованному человеку быстрее восстановить контроль над собственным телом. Новозеландская компания REX Bionics разработала экзоскелет, позволяющий пациентам с нарушением подвижности ходить без использования костылей .
Российские экзоскелеты «Экзоатлет» и «Компаньон» помогают пациентам по всему миру
Россия входит в число стран-лидеров в разработке медицинских экзоскелетов. Проект ExoAtlet начался в 2011 году с разработок в НИИ Механики МГУ по заказу МЧС. В 2013 году была основана компания, которая переориентировала технологию на медицинские задачи. Экзоскелет ExoAtlet предназначен для реабилитации пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата и нервной системы в нижней части тела. Система весит около 20 кг и управляется при помощи кнопок на костылях.
На сегодняшний день экзоскелеты ExoAtlet сертифицированы в России, Южной Корее, Казахстане, Вьетнаме и Индии, а представительства компании открыты в Люксембурге, Южной Корее, Японии и США. Стоимость российского экзоскелета около 4 млн рублей, что вдвое дешевле зарубежных аналогов. Это позволяет использовать его в государственных больницах, где пациенты могут проходить реабилитацию бесплатно.
Другая российская компания Symbionix разработала экзоскелет «Компаньон» для восстановления двигательной активности людей с повреждениями спины . Устройство выдерживает вес до 120 кг, подходит для людей ростом до двух метров и может работать при температуре от -30 до +50 градусов. Заряда аккумулятора хватает на 3-5 часов активного использования.
Экзоскелеты для верхних конечностей получили собственный ГОСТ в России
В конце 2023 года Росстандарт утвердил первые пять национальных стандартов в области экзоскелетов, а в 2024 году был принят ГОСТ на экзоскелеты верхних конечностей для реабилитации. Это первый нормативно-технический документ на подобные изделия, вступивший в силу с января 2025 года.
Новый стандарт устанавливает общие требования, требования надежности, эргономики, стойкости к внешним воздействиям, а также правила маркировки и упаковки. ГОСТ определяет, что экзоскелет верхних конечностей должен быть удобным в надевании и использовании, надежно фиксироваться на теле и не спадать. Благодаря стандартизации сотни пациентов, включая бойцов, получивших ранения в ходе специальной военной операции, уже получили помощь с использованием таких устройств.
Экзоскелетом можно управлять силой мысли
Одно из самых фантастических направлений развития экзоскелетов — управление через нейроинтерфейсы. В 2017 году немецкий исследовательский центр Clinatec продемонстрировал экзоскелет, призванный помочь полностью парализованным людям. Конструкция весом 65 кг управляется при помощи датчиков, имплантированных в череп и считывающих импульсы от зон мозга, отвечающих за движения.
Японские разработчики экзоскелета HAL пошли по другому пути: их устройство улавливает биоэлектрические сигналы, идущие от головного мозга к мышцам по нервным волокнам. Даже если мышцы не сокращаются из-за повреждения, слабые биотоки все равно присутствуют, и датчики экзоскелета их распознают, преобразуя в команды для приводов. Это позволяет пациенту двигаться, просто думая о движении.
Японские пенсионеры активно используют экзоскелеты в быту
Япония — страна, где экзоскелеты уже стали частью повседневной жизни. В условиях старения населения и нехватки молодых рабочих рук японские инженеры создали доступные экзоскелеты для пожилых людей. Эти конструкции могут использоваться в быту и позволяют поднимать вес до 25 кг (55 фунтов) .
Стоимость таких устройств для японцев варьируется от $1300 (модель Innophys) до $5500 (Atoun Model Y от Toyota). Пассивные экзоскелеты, например Noonee Chairless Chair, представляют собой «невидимый стул», который поддерживает спину при работе в положении стоя — идеальное решение для кассиров, хирургов и работников конвейера.
Экзоскелеты перестали быть фантастикой и становятся такой же реальностью, как смартфоны или электромобили. От тяжелых и неуправляемых монстров весом в три четверти тонны они эволюционировали в легкие, интеллектуальные устройства, возвращающие людям радость движения и защищающие от травм. Будущее, о котором писал Роберт Хайнлайн в «Звездном десанте» еще в 1959 году, наконец наступает.
