Экзоскелет

Экзоскелет HAL от компании Cyberdyne

Экзоскеле́т (от греч. έξω — внешний и греч. σκελετος — скелет) — мобильный механизм, использующий электромоторы, рычаги, гидравлику и другие инновационные технологии для компенсации утраченных функций, усиления мышечной силы и расширения диапазона движений за счёт внешнего каркаса и силовой системы[1][2].

История

В Средневековье для защиты воинов от ранений в битвах использовались доспехи, прототипом которых служили естественные панцири живых организмов. Начиная с Уложения о службе царя Ивана IV Грозного 1556 года и в ряде последующих нормативных актов можно обнаружить признаки стандартизации защитного снаряжения русских воинов. Корпусные доспехи и шлемы были обязательным элементом экипировки, а защита рук и ног считалась необязательной. В современном понимании подобные средства защиты не классифицируются как экзоскелеты. Их основное предназначение заключалось в пассивной защите тела человека. Элементы, присущие современным экзоскелетам: функции перераспределения нагрузки, увеличения амплитуды движений или изменения прилагаемых усилий, либо полностью отсутствовали, либо выполняли лишь второстепенную роль[3].

Первый в мире экзоскелет был разработан в конце XIX века российским изобретателем-самоучкой Николаем Ягном. Эластипед представлял собой систему пружин, закрепляемых на теле человека, которые должны были усиливать движения ног при ходьбе или прыжках. Николай Ягн создавал экзоскелет для продажи патента Минобороне для создания «скоростной пехоты», однако его задумка не увенчалась успехом[4][5].

Первый экзоскелет Hardiman, разработанный General Electric в 1965 году по заказу армии и флота США, задумывался как средство увеличения человеческих возможностей, в частности, грузоподъёмности. Конструкция состояла из внутреннего костюма и внешнего каркаса, обеспечивая теоретическое увеличение силы оператора в 25 раз (поднятие 680 кг с усилием, эквивалентным 27 кг). Однако проект, потребовавший шести лет работы, оказался непрактичным из-за нестабильной работы механизма и огромного веса (750 кг), создавая риск травмирования оператора и препятствуя полноценным испытаниям. Несмотря на неудачу, Hardiman стал значительным этапом в истории разработки экзоскелетов, вдохновив дальнейшие исследования в военной, медицинской, промышленной и космической областях. В последующих разработках многие компании сосредоточились на создании отдельных экзоскелетов для верхних и нижних конечностей, объединяя их при необходимости[6][7][8].

Современные экзоскелеты активно применяются в реабилитации. Например, экзоскелет HAL от Cyberdyne использует датчики для улавливания нервных импульсов, преобразуя их в команды для мышц и способствуя восстановлению контроля над телом у пациентов с параличом или ослаблением двигательных функций. Экзоскелет REX Bionics позволяет пациентам с ограниченной подвижностью ходить без костылей. ReWalk и Ekso Bionics предлагают решения для реабилитации после инсульта и травм спинного мозга, помогая пациентам с параличом ходить, стоять и подниматься по лестнице. В сравнении с ними, проект Hardiman был закрыт в 1971 году[6][7][8].

В 2000-х годах экзоскелеты начали появляться: сразу несколько компаний в разных уголках мира разработали оригинальные концепты роботизированных костюмов. Был разработан американский экзоскелет HULС («универсальное грузовое средство для человека») специально для военной пехоты и прошедший лабораторные испытания в 2010 году. Экзоскелет весит 24 килограмма (не учитывая элементы питания) и позволяет солдату без особых усилий переносить груз до 91 килограмма, двигаясь по пересечённой местности со скоростью от 11 до 16 километров в час. В зависимости от задания в экзоскелет можно встроить дополнительные датчики, систему отопления или охлаждения, добавить защиту. В феврале 2012 года экзоскелет HULC был представлен на ежегодной конференции TED. Весной 2018 года китайская компания Norinco представила свой новый прототип, разработанный для военных нужд: эта модель позволяет пехотинцу переносить на себе до 45 килограммов, развивая при этом скорость до четырёх километров в час[6][7][8].

Разрабатываемый с 2012 года NASA экзоскелет X1 предназначен для двойного применения: как вспомогательное средство передвижения на Земле и как универсальный тренажёр для поддержания здоровья космонавтов во время длительных космических миссий. Весящий 26 кг (вес не ощущается в невесомости) экзоскелет крепится к ногам и фиксируется ремнями на плечах и спине. Интеграция X1 в скафандр упростит выход в открытый космос и работу на поверхности других планет. Ключевая особенность — настраиваемый уровень сопротивления, позволяющий усложнять упражнения и имитировать земную гравитацию в условиях невесомости, нагружая мышцы бёдер, коленей и лодыжек. X1 отслеживает состояние суставов и мышечную силу, помогая в подборе индивидуальной терапии, обеспечивая поддержку при передвижении и переноске грузов в нестандартных условиях[6][7][8].

Механизм работы

Российский экзоскелет ExoHeaver

Экзоскелеты изготавливаются из металла или лёгких, прочных полимеров. Экзоскелеты для ног, как правило, металлические и весят несколько десятков килограммов, но пользователь этого веса не ощущает. Движение обеспечивается электроникой и системой датчиков, считывающих электрическую активность мышц. Система регулировки позволяет подстраивать размер экзоскелета под индивидуальные особенности пользователя для максимального комфорта. Доступность экзоскелетов повышается благодаря использованию новых материалов, увеличивающих срок службы.

Антифрикционные твердосмазочные покрытия, такие как MODENGY 1066, создают на деталях прочный слой, уменьшающий трение и износ. Это позволяет увеличить срок службы наиболее нагруженных деталей, таких как регулировочные пластины, подверженные сильному трению при изменении размера экзоскелета. Сухое, нетоксичное и не выделяющее вредных испарений покрытие MODENGY 1066 решает проблему загрязнения и негативного влияния на здоровье пользователя, характерную для ранее применявшихся смазок. Активные экзоскелеты используют источники питания для своей работы, а автоматические контроллеры обеспечивают стабильность и оптимальное распределение нагрузки. Пассивные экзоскелеты, в свою очередь, работают на основе механических принципов, используя рычаги и противовесы для распределения нагрузки между частями тела оператора[2].

Экзоскелеты с искусственным интеллектом

Достижения в сфере искусственного интеллекта оказывают значительное влияние на разработку современных экзоскелетов. Портативный экзоскелет MOONWALK-Omni был представлен Корейским институтом науки и технологий (KIST) в январе 2024 года. Это устройство предназначено для облегчения ходьбы и подъёмов в гору. MOONWALK-Omni представляет собой пояс с четырьмя приводами, крепящимися к бёдрам пользователя, которые способствуют улучшению баланса и повышению силы ног на 30 %. При весе в 2 кг, экзоскелет легко надевается взрослым человеком менее чем за 10 секунд без посторонней помощи. Интегрированная технология искусственного интеллекта осуществляет анализ походки в реальном времени, динамически регулируя поддержку мышц в зависимости от условий местности: пологие склоны, каменистые тропы, крутые деревянные лестницы или неровные каменные ступени[6].

Шанхайский стартап Hypershell представил складной экзоскелет Omega, разработанный для облегчения длительных переходов и походов по пересеченной местности. Это компактное устройство весит 2 кг и может быть сложено до размеров 6,5-литрового рюкзака. Omega оснащен интегрированным двигателем мощностью 1 лошадиная сила, который способен компенсировать нагрузку до 30 кг. Экзоскелет поддерживает девять различных режимов работы, включая ходьбу, бег, подъём и езду на велосипеде, а также предлагает «гиперрежим» для активации максимальной производительности одним нажатием кнопки. В основе работы устройства лежит «умная» система с двумя встроенными процессорами, которая отслеживает движения ног и моделирует походку за миллисекунды. Механизм искусственного интеллекта также способен предсказывать следующий шаг пользователя и плавно синхронизировать вспомогательные функции, постоянно обучаясь и адаптируясь для обеспечения более интуитивного взаимодействия[6].

Существуют экзоскелеты, управление которыми фактически осуществляется силой мысли: устройство HAL (Hybrid Assistive Limb) от японской компании Cyberdyne. Принцип его работы основан на считывании слабых биоэлектрических импульсов с поверхности кожи с помощью электродов, которые возникают, когда мозг посылает сигналы к мышцам для совершения движения. Система управления HAL включает два типа: кибернетическая система добровольного управления использует эти импульсы для выполнения желаемых движений пользователя, тогда как кибернетическая автономная система способна генерировать человекоподобные движения даже в отсутствие прямых биоэлектрических сигналов[6].

Использование

Экзоскелет ExoLite для реабилитации

Медицина

Экзоскелеты значительно ускоряют реабилитацию после травм и операций, снижая риск осложнений. Ношение «костюма» в течение нескольких часов ежедневно позволяет снизить нагрузку на суставы и выполнять движения, недоступные пациенту самостоятельно. Экзоскелет выступает в роли тренажёра, поддерживая вертикальное положение тела и обеспечивая пассивные движения конечностей. Это способствует формированию в мозге необходимых двигательных моделей, которые со временем могут воспроизводиться самостоятельно. Даже без полного восстановления двигательных функций, возможность вертикального положения и передвижения значительно улучшает качество жизни пациентов[2][9].

Промышленность

На промышленных предприятиях экзоскелеты применяются для профилактики травм и профессиональных заболеваний, а также для повышения производительности и выносливости персонала. Используются как пассивные устройства, снижающие нагрузку на опорно-двигательный аппарат, так и активные, берущие на себя значительную часть физической нагрузки и расширяющие возможности работника[2][9].

Военная сфера

В военной сфере экзоскелеты повышают эффективность выполнения боевых задач, увеличивая силу, скорость, выносливость и ловкость солдат. Они интегрируют навигационные и разведывательные системы и обычно представляют собой активные роботизированные комплексы с возможностью переключения между активным и пассивным режимами работы в зависимости от ситуации[2][9].

Пожаротушение

Экзоскелеты открывают новые возможности в пожаротушении, способствуя увеличению силы и выносливости пожарных, а также повышая их безопасность и снижая риск профессиональных заболеваний и травм. Устройство Advanced Firefighting Apparatus (AFA), созданное Кеном Ченом в Университете Монаша, Мельбурн, Австралия. Общая масса составляет около 23 кг, предоставляет пожарному дополнительную мощность для перемещения, маневрирования и переноски грузов весом до 100 кг. Оснащённый эффективными «шарнирами», аппарат позволяет легко убирать тяжёлые препятствия и выбивать запертые двери. Устройство фиксируется на поясе пожарного и управляется при помощи интуитивно понятных джойстиков. Две электрические батареи обеспечивают непрерывную работу экзоскелета на протяжении двух часов[10].

Также производителем автомобилей Trigen Automotive был создан пожарный экзоскелет Auberon — полностью механизированное устройство, которое позволяет пожарному, находящемуся в полной экипировке, свободно перемещаться по задымлённым лестничным клеткам, неся при этом дополнительный вес до 40 кг. Экзоскелет оставляет руки пожарного свободными для выполнения задач в условиях пожара. Вся основная и дополнительная нагрузка передаётся на пол через каркас и специализированную экзоскелетную обувь, что значительно разгружает плечи и спину пользователя. Устройство работает на сжатом воздухе, подаваемом из двух баллонов объемом 6,8 литра каждый, и оснащено механизмом, позволяющим пожарному быстро сбросить экзоскелет в случае необходимости[10].

Перспективы

Развитие экзоскелетов направлено на создание более функциональных и комфортных для человека устройств за счёт улучшений. В числе приоритетных задач — снижение массы и габаритов конструкции, совершенствование эргономики и дизайна, повышение автономности и манёвренности, а также оптимизация систем управления. Технические характеристики экзоскелетов могут быть значительно улучшены посредством повышения надежности и прочности конструкции, снижения энергопотребления при одновременном увеличении полезной мощности активных моделей, а также внедрения инновационных материалов и передовых технологий[3].

Недостатки

  • Масса. Лёгкий экзоскелет «Экзар 2» весит от 1 до 2 кг и подходит для использования детьми, а более сложные активные модели, как японский экзоскелет нижних конечностей HAL (Hybrid Assistive Limb) от Cyberdyne, достигают 23 кг, а экзоскелет-костюм X1 от НАСА — 26 кг[3].
  • Для обеспечения максимального соответствия функциям человеческого скелета, компоненты экзоскелета должны обладать высокой степенью свободы, что требует внедрения сложных систем привода и управления. Это приводит к увеличению общей массы конструкции и её стоимости[3].
  • Активные экзоскелеты требуют постоянного внешнего источника питания[3].
  • Анатомическая подгонка устройства под индивидуальные особенности пользователя[3].

Примечания

  1. ↑ «Экзоскелет — не костюм из будущего, а необходимость». RB (27 февраля 2020). Дата обращения: 8 сентября 2025.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Экзоскелет: назначение, принцип работы и разновидности. ATF. Дата обращения: 8 сентября 2025.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Графкина М. В. Экзоскелет. БРЭ (12 декабря 2024). Дата обращения: 3 ноября 2025.
  4. ↑ Тихомиров В., Шергина Н. Изобрести эластипед. Коммерсант (11 февраля 2013). Дата обращения: 13 октября 2025.
  5. ↑ Фёдоров А. В. Краткая история создания экзоскелетов. Киберленинка. Дата обращения: 13 октября 2025.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 Решетникова М. Какими способностями наделяют людей «умные» экзоскелеты. РБК (8 апреля 2024). Дата обращения: 8 сентября 2025.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 Каруба Р. Экзоскелеты: силовые доспехи будущего. Мир фантастики (3 апреля 2021). Дата обращения: 8 сентября 2025.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 Ланской Н. Экзоскелет: Технология будущего, ставшего настоящим. Научная Россия (26 марта 2025). Дата обращения: 8 сентября 2025.
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 Костюм сверхчеловека: что такое медицинский экзоскелет и зачем он нужен. Экзоскелеты для инвалидов для ног. Reamed (14 мая 2024). Дата обращения: 8 сентября 2025.
  10. ↑ 10,0 10,1 Кращенко Н. А. Применение экзоскелета в пожаротушении. Портал безопасности (11 января 2024). Дата обращения: 3 ноября 2025.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Экзоскелет&oldid=2151846