Что объединяет “Аватара”, “Железного человека” и “Район №9”? Во всех этих картинах режиссеры фантазировали на тему экзоскелетов.
Термин "экзоскелет" может иметь два значения. В биологии экзоскелет - это внешний тип скелета у некоторых беспозвоночных животных. Например, раковина у моллюсков или хитиновый панцирь у членистоногих. В контексте технологий, экзоскелет - это устройство, предназначенное для восполнения утраченных и усиления имеющихся функций организма, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счет внешнего каркаса и приводящих частей.
Персонажи всех трех фильмах использовали костюмы, которые в разы увеличивали силу и выносливость, давали новые возможности. В “Аватаре” экзоскелеты, которые использовали космонавты, позволяли им держать большое оружие и сражаться с инопланетянами, в “Районе №9” экзоскелеты были инопланетными и увеличивали скорость и ловкость владельца. “Железный человек” имел в груди миниатюрный ядерный реактор, мог летать и уничтожать врагов импульсами энергии.
В реальной жизни, конечно, экзоскелеты пока не достигли такого уровня, но их уже активно используют в разных сферах. В материале подробно расскажем об истории развития экзоскелетов, поговорим об использовании технологии в России и мире и поговорим о перспективах этой технологии.
История создания экзоскелетов
Люди давно фантазируют о создании устройства, которое усилит физические возможности и будет помогать в делах. Еще в позапрошлом веке ученые и инженеры пытались об этом фантазировать, а Леонардо Да Винчи вообще сделал робота-рыцаря, который мог совершать простые действия: поднимать забрало, двигать шеей.
Практического применения робот тогда не получил — технологии были недостаточно развиты. Первые реальные прототипы экзоскелетов появились только в середине XX века.
Одним из первых экземпляров считается устройство, разработанное в 1960-х годах компанией General Electric совместно с американскими военными. Оно называлось Hardiman и выглядело как мощный гидравлический костюм с клешнями, способный поднимать грузы до 680 кг. Но проект был слишком громоздким и дорогим, поэтому остался только в состоянии концепта, а исследования продолжились.
В 1970-х годах интерес к экзоскелетам возродился, но уже в медицинской сфере. Ученые начали разрабатывать устройства для помощи людям с ограниченными возможностями. Работы шли, в том числе, в СССР. Специалисты со всего мира пытались создать устройства для реабилитации людей с ограниченными возможностями.
Современные экзоскелеты стали возможны благодаря развитию робототехники, материаловедения и искусственного интеллекта. Сегодня они используются не только в медицине, но и в промышленности, военном деле и даже в космосе. В России экзоскелеты, например, собираются применять на Ульяновском Автомобильном Заводе. Речь идет не о огромном костюме с множеством механизмов и поршней, а о костюмах весом два килограмма, не содержащих электронных компонентов. Они будут помогать рабочим при помощи эластичных пластин, увеличивая выносливость при наклонах и неудобных движениях на 40%. Такой костюм можно надеть всего за минуту.
Типы экзоскелетов: активные и пассивные
Экзоскелеты можно разделить на два главных вида: активные и пассивные.
- Пассивные экзоскелеты не имеют собственных источников энергии и работают за счет механических свойств материалов. Они более равномерно распределяют нагрузку на тело, снижая усталость и риск травм. Например, такие устройства часто используются на производствах, где рабочим приходится поднимать тяжести или долго находиться в неудобных позах.
- Активные экзоскелеты оснащены источниками питания, двигателями, датчиками и системами управления. Они могут усиливать мышцы, помогать выполнять движения и даже выполнять сложные задачи автономно. Такие устройства чаще применяются в медицине, например, для реабилитации пациентов после инсульта или травм позвоночника, а иногда — в военной сфере.
Применение экзоскелетов в различных сферах
Экзоскелеты нужны не только для того, чтобы усиливать движения человека и его грузоподъемность. Одно из применений, которое не сразу приходит на ум — помощь рабочим, которые на протяжении долгого времени вынуждены работать с высоко поднятыми руками. Костюм помогает им удерживать их в таком состоянии, снижая нагрузку на мышцы и связки. Пассивные и активные экзоскелеты нужны людям из самых разных сфер.
Экзоскелеты для производства и складских работ
На производствах и складах экзоскелеты становятся незаменимыми в XXI веке и внедряются все активнее. Они снижают нагрузку на позвоночник и суставы, что особенно важно для работников, которые вынуждены поднимать тяжести или выполнять монотонные движения. Например, крупные европейские автоконцерны уже активно используют экзоскелеты на своих заводах, чтобы уменьшить количество производственных травм и повысить эффективность труда рабочих из разных производственных процессов: как складских рабочих и грузчиков, так и сборщиков и других специалистов, труд которых связан с физической работой.
Экзоскелеты в строительстве
В строительной отрасли экзоскелеты также помогают рабочим справляться с тяжелыми физическими нагрузками. Например, устройства для поддержки спины и ног позволяют долго работать в наклонном положении или поднимать тяжелые материалы. В США уже есть стартапы, которые заняты разработкой и производством экзоскелетов для этих целей. Одна из компаний разработала экзоскелет, который используется при строительстве высотных зданий, значительно снижая риск получения травм рабочими.
Военные экзоскелеты: новые возможности для солдат
Военные экзоскелеты — это одна из самых перспективных областей применения технологии. Они позволяют солдатам переносить тяжелые грузы, увеличивают выносливость и защищают от травм. Например, американская компания Lockheed Martin разработала экзоскелет ONYX, который помогает пехотинцам преодолевать большие расстояния с минимальной усталостью.
В России также есть свои разработки боевых экзоскелетов. Они помогают солдату быстрее и дольше передвигаться по пересеченной местности, переносить на 50-60 кг больше грузов, что особенно важно для разведчиков и десантников, стрелять из автоматического оружия намного точнее:
«У экзоскелетов очень хорошие перспективы. Еще вчера подобные технологии казались выдумкой, фантастикой, а сегодня это уже реальность. Энергетические затраты при беге и ходьбе снижаются» — индустриальный директор кластера вооружений, боеприпасов и спецхимии «Ростеха» Бекхан Оздоев.
Российский боевой экзоскелет, представленный на форуме “Армия 2021”, Источник: “Газета.ру”
Медицинские экзоскелеты: восстановление и реабилитация
Медицинские экзоскелеты — это настоящий прорыв в реабилитации пациентов с травмами позвоночника, инсультами и другими заболеваниями, ограничивающими подвижность. Они помогают восстанавливать атрофированные мышцы, учиться ходить заново, берут на себя часть утраченных организмом после травмы функций.
Как экзоскелеты помогают людям с ограниченными возможностями
Экзоскелеты для реабилитации часто используются в больницах и реабилитационных центрах. Они помогают пациентам заново учиться ходить, укрепляют мышцы и улучшают координацию движений. Например, экзоскелет ReWalk позволяет людям с параличом нижних конечностей вставать, ходить и даже подниматься по лестнице.
В России индустрия также развивается и достигла больших успехов — компания ExoAtlet уже провела реабилитацию более, чем 10000 пациентов, которым требовались экзоскелеты.
Отечественный экзоскелет для реабилитации ExoAtlet, Источник
Будущее экзоскелетов: технологии и инновации
Современные разработки в области экзоскелетов направлены на создание более легких, компактных и доступных устройств. Ученые работают над интеграцией искусственного интеллекта, который позволит экзоскелетам адаптироваться под нужды конкретного пользователя и сделать экзоскелеты более многопрофильными, чтобы одно устройство могло использоваться сразу во всех сферах.
Значение экзоскелетов для современного общества
Экзоскелеты уже меняют жизнь людей. Они помогают производить товары, строить города, служат военным для выполнения их целей и задач, реабилитируют людей с разными заболеваниями и травмами. Количество сфер применения, а также самих экзоскелетах в этих сферах, растет с каждым годом, появляются все более перспективные разработки и модели. В будущем эта технология может стать такой же привычной, как смартфоны или компьютеры.