Доступный экзоскелет: достижения биомеханики и робототехники

Американские исследователи заявили о скорой реализации программы массового выпуска медицинских робокостюмов. Благодаря ним, люди, прикованные к инвалидным коляскам, смогут вновь обрести возможность ходить. «Футурист» познакомился с современными научными разработками в области медицинской робототехники.

С 60-х годов прошлого века внимание исследователей и практикующих врачей привлекает идея расширения физических возможностей человека. Первоначально внимание специалистов уделялось преимущественно военному применению боевых робокостюмов. Усилия ученых, работавших под грифом «секретно», были направлены на создание специальных аппаратов, увеличивающих подвижность и выносливость человека.

Первая партия таких робокостюмов, называемых еще экзоскелетами, была создана компанией «General Electric» в сотрудничестве с вооруженными силами США. Однако, со временем, учитывая востребованность этих приборов в практическом здравоохранении, фокус исследований сместился в область медицины.

Экзоскелеты усиливают силу мышц и амплитуду движений за счет внешнего каркаса и приводящих элементов. Таким образом, экзоскелеты способны оказывать помощь людям, имеющим проблемы с опорно-двигательным аппаратом. При этом важно пропорционально осуществить увеличения усилий при движениях. Поэтому обязательным требованием к экзоскелетам является повторение биомеханики человека согласно принципу анатомического соответствия (анатомической параметризации). Принцип анатомической параметризации заключается в соответствии между различными анатомическими характеристиками строения человеческого тела и параметрами механического устройства, которые обуславливают оптимальную работу образующейся биомеханической системы.

Первый силовой шагающий экзоскелет был разработан югославским специалистом в области биомеханики и робототехники Миомиром Вукобратовичем в Белграде в 1969-м году. Аппарат давал возможность людям с параличом нижних конечностей передвигать ноги. Впоследствии Вукобратович тесно сотрудничал с Академией наук СССР, и на основе его разработок в СССР были начаты работы по созданию первого советского экзоскелета. С началом перестройки финансирование проекта прекратилось, и работы возобновились только в 2011-м году.

Последняя модификация отечественного экзоскелета, «ExoAtlet Albert», управляется с костылей и позволяет человеку самостоятельно ходить, садиться и вставать.

«Такое привычное и, казалось бы, простейшее для человека действие, как ходьба, является крайне сложным для механической системы. Ошибка в расчетах движения такой системы может вызвать серьезные последствия» — рассказывает Альберт Ефимов, руководитель робототехнического центра фонда «Сколково» в интервью «SkReview».

Разработчики заявляют, что «ExoAtlet Albert» подойдет не только людям с травмами спинного мозга, но и с последствиями инсульта. На сайте проекта можно оформить предзаказ на производство первой партии. Экзоскелет обойдется покупателю в полтора миллиона рублей. На данный момент собрано лишь несколько действующих прототипов изделия.

Израильский экзоскелет «ReWalk», разработанный компанией «Argo Medical Technologies», доступен в свободной продаже уже с 2011 года.

В свою очередь, японский экзоскелет «Hybrid Assistive Limb», который разрабатывался и совершенствовался в Цукубском университете на протяжении 20-ти лет, получил всемирный сертификат безопасности в 2013-м.

Американская компания «SuitX» из Беркли (Калифорния) занялась разработкой своего экзоскелета несколько лет назад, и в марте этого года планирует начать его поставки на рынок. Аппарат нового поколения получил название «Phoenix». Его специализация — возвращение двигательных функций людям с нарушениями активности нижних конечностей.

«Мы не можем вылечить болезни и травмы людей. Но мы можем отсрочить осложнения, вызываемые неподвижным образом жизни. Это увеличивает качество жизни наших пациентов», — говорит основатель «SuitX» иранский ученый, профессор Калифорнийского университета, Хомайун Казеруни.

Главными недостатками всех экзоскелетов являются их высокая стоимость, зависимость от источников питания, большой вес и низкая мобильность. Развитие этой области биомеханики направлено в сторону сокращения расходов на производство при одновременном увеличении функциональности экзоскелетов.

«Phoenix» дешевле того же «ReWalk» (40 000 долларов против 77 000) и весит практически вдвое меньше (около 12-ти килограммов). При этом его конструкция позволяет пользователю передвигаться со скоростью около полутора километров в час. Маленькие двигатели экзоскелета соединены с ортезами (внешние приспособления, предназначенные для изменения структурных и функциональных характеристик нервно-мышечной и скелетной системы, – прим. ред.) из углеродного волокна, которые выглядят как обычные ортопедические скобы. Управление осуществляется нажатием кнопок, интегрированных в костыли. Устройство бесшумно, аккумуляторная батарея позволяет носить экзоскелет до восьми часов. Благодаря специальному встроенному программному обеспечению можно отслеживать всю необходимую пациенту информацию о его пользовании экзоскелетом.

На изображении, расположенном над входом в офис «SuitX» в Беркли висит фото Стивена Санчеза, одного из первых пользователей нового экзоскелета, улыбающегося на фоне римского Колизея.

Стивен Санчез ( на фото сверху) – один из первых пользователей нового экзоскелета «SuitX», помогающий ему путешествовать по всему миру. Для него, как и для большинства людей с нарушением двигательных функций, важно проводить как можно больше времени в движении для поддержания в норме собственного веса.

Одним из недостатков экзоскелетов является относительная сложность их использования. Однако Санчез надеется, что в ближайшее время «SuitX» разработает экзоскелет, который будет и удобным, и дешевым:

«Хотелось бы иметь эту штуку дома. Это еще сильнее изменило бы мою жизнь», — говорит Санчез.

При том, что «Phoenix» — один из самых доступных экзоскелетов на рынке, стоит он все еще намного дороже моторизованных инвалидных колясок. И только снижение цен экзоскелетов до нескольких тысяч долларов позволит им по-настоящему конкурировать с инвалидными колясками.

Однако, если это направление биомеханики будет развиваться так же стремительно, то уже в ближайшие годы у гораздо большего числа людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата появится возможность передвигаться самостоятельно.