Экзоскелеты: будущее уже здесь

Если перейти от внутренних органов к тому, что «на виду», может показаться, что ситуация кардинально иная. Отчасти это действительно так: протезирование начали осваивать ещё во времена Древнего Египта, а ближе к современности имитации отсутствующих конечностей стали не только максимально эстетичными с визуальной точки зрения, но даже позволили выполнять простейшие манипуляции. Это огромный шаг вперёд, но ведь наука никогда не останавливается. Другая логичная задача — поддержание организма и приумножение физических возможностей человека.

Возвращаясь к нашим любимым фантастам, частично «роботизированный» человек — главный объект их творчества, который сегодня воплощён в реальность. Этого удалось достичь благодаря конструкции, имеющей всеобще известное название — экзоскелет.

Многие представляют, как он выглядит, но как эта система функционирует в жизни? С этим и другими вопросами нам поможет разобраться кандидат биологических наук Никита Бабанов.

Это носимый механизм (о чём говорит приставка «экзо»), который призван поддерживать (в прямом смысле этого слова) своего обладателя. Глобально этот «помощник» может быть активным или пассивным. Как несложно догадаться из названия, активные модификации имеют собственный источник питания, а пассивные его лишены. Последние приводятся в движение мышечной силой, а функционирующие на внешнем энергоносителе, соответственно, работают от него. Вне зависимости от того, нужна «розетка» экзоскелету или нет, он представляет собой каркас (кстати, необязательно жёсткий) с подвижными сочленениями, который фиксируется на отдельных частях тела и принимает на себя больший процент нагрузки.

Область применения как активных, так и пассивных конструкций в гражданской сфере огромна. Это и тяжёлая промышленность, и строительные работы, и сборочные цеха, и даже реабилитация пациентов с заболеваниями опорно-двигательного аппарата.

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно определить понятие экзоскелета как такового. За основу удобнее всего брать термин, разработанный в НИИ медицины труда. Институт на данный момент как раз занимается стандартизацией всех подобных конструкций. Определение для промышленных экзоскелетов звучит так:

Устройства можно разделить на три сегмента по сфере применения:

• медицина (реабилитация пациентов);
• промышленность;
• военные цели.

Кроме того, как уже было сказано выше, есть огромная разница в том, какую именно функцию выполняет экзоскелет. Активные, грубо говоря, приумножают силу человека, а пассивные просто разгружают скелетно-мышечный каркас и практически не дают прибавки к силе. При этом системы преимущественно модульные. Экзоскелет необязательно представляет собой скафандр, хотя такие тоже есть. Это могут быть и отдельные блоки, например, для рук, ног или поясницы — их можно подбирать в зависимости от условий работы и конкретных задач.

Существуют и более экзотические конструкции:

• мягкие;
• управляемые через нейроинтерфейс.

Последние «следят» за активностью мозга (посредством электроэнцефалограммы) или мышечной силой, мониторя биопотенциалы (только на этот раз через электромиограмму), и трансформируют получаемые сигналы в «команду».

В целом все существующие на данный момент решения востребованы и адаптируются под текущие нужды. К сожалению, пока единого фарватера развития нет, как и условно лидирующего направления.

Да, и тому есть немало реальных примеров. Скажем, Ford и Toyota снабдили ими работников конвейерных линий. Дело в том, что далеко не вся сборка сейчас автоматизирована, причём причина не всегда в технических возможностях современных роботов. Когда речь заходит о крупных заводах, нельзя забывать, допустим, о пожарной безопасности. И раз уж на производствах трудятся рабочие из плоти и крови, то их телу часто требуется поддержка или разгрузка. С этим могут справиться и более простые приспособления. Опять же банальная деревянная табуретка — она позволит не стоять весь день и не утомлять ноги. Правда, в таких очевидных и точно более бюджетных вариантах есть нюанс: строгие нормы, которые касаются не только потенциально опасной техники, но и вспомогательного «оборудования» для людей. Для нахождения любого постороннего предмета на отдельных участках линии нужно пройти довольно серьёзное согласование. А если таких участков сотня?

Экзоскелеты же можно сертифицировать один раз и с их помощью закрыть многие потребности по мобильности и снижению статической физической нагрузки на работников. Такие кейсы можно найти не только на зарубежных фабриках. На КАМАЗе апробацию проходили несколько экзоскелетов. В их числе EksoBody — проект двух энтузиастов, создавших систему для нижних конечностей. Это необходимо тем, кто долгое время пребывает в статичной неудобной позе. Своё решение предложили и Exorise — они реализовали несколько комплектов для спины. К слову, обе компании — отечественные.

Наибольшую популярность пассивные конструкции имеют там, где нужно находиться в максимально неестественном положении. Например, на конвейерной линии сборки или под днищем машины. При длительных работах в первую очередь страдают шея, плечи и поясница. Проблему можно устранить сравнительно простой внешней поддержкой локтя — у тела тут же появляются точки опоры и вес перераспределяется на них.

Похожая, но немного иная история со сборкой двигателей. К ним не нужно тянуться, но побегать вокруг массивных блоков придётся. От этого устают ноги, и здесь дополнительная разгрузка тоже будет кстати.

Со всеми подобными задачами успешно справляются конструкции без принудительного привода. Одна из приятных «побочек», отмеченная сотрудниками, использовавшими экзоскелеты для спины: помимо избавления от гипертонуса мышц, тело запоминает правильное положение. Это даёт возможность выполнять работу с наименьшей нагрузкой даже без помощи устройства.

Безусловно, данная технология может быть полезной. При этом экзоскелеты будут теми же, что и на большом производстве, если цель — просто сберечь мастеров. Что касается перемещения тяжестей, то здесь потребуется уже активная конструкция, но с ней дела обстоят сложнее. Главная задача, которую предстоит решить, — подвод источника питания, причём довольно мощного. Неважно, какой именно привод будет у моторов — энергии нужно много, поэтому куда проще и дешевле действовать по старинке: домкратами, тросами и системами блоков. Тем более даже современные активные конструкции довольно массивны, а их грузоподъёмность ограничена скромными цифрами порядка 60-100 кг.

В этом вопросе можно даже не особо фантазировать. Есть неплохой пример производителя инструмента Hilti. Они уже спроектировали собственное устройство с кронштейном, на котором можно зафиксировать отбойный молоток. У нас тоже не отстают: сейчас создаются конструкции с возможностью применения на них самого разного навесного оборудования. Так, ExoHeaver предлагает аналог Hilti. Это востребовано даже в МЧС — ведомство работает над собственными креплениями, полезными для спасателей.

Теперь, если пофантазировать и вообразить себе, что мы решили заставить включаться компрессор силой мысли и установили его на экзоскелет, то получается вообще отдельная история. Перед нами встают две параллельные задачи: «завести» компрессор не нажимая на кнопки и устоять в экзоскелете. Такое реально, но для этого нужно буквально обучить человеческий мозг обращаться с непривычной техникой. Чаще всего поступают так: «испытуемый» подробно представляет себе, что конкретно он делает в момент запуска. Система регистрирует паттерны биоэлектрических сигналов, которые в текущий период времени возникают в мозге, запоминает их и впоследствии реагирует на аналогичные сигналы заданным действием. В данном случае — включением компрессора. Правда, в этом кроется не только некоторое новаторство, но и огромная проблема. Дело в том, что, когда человек облачается в поддерживающий экзоскелет, в центральную нервную систему устремляется множество нетипичных комбинаций с «раздражителей» от всего тела, с которыми нужно что-то делать: положение корпуса непривычно, нагрузки тоже далеки от естественных, поэтому «руководить» собственной «оболочкой» и «принуждать» её работать в штатном режиме в десятки раз сложнее. Внешние раздражители в повседневной жизни тоже нельзя отменить. Любой отвлекающий фактор, например, резкий рёв мотора, приведёт к повышенному возбуждению нервной системы. Из-за этого уже вшитая в управление картинка смажется и «привязанное» к ней устройство просто временно перестанет функционировать — ему больше не на что отзываться. Пока этот нюанс вносит свои коррективы, так что для внедрения нейронно управляемых систем, даже самых простых, ещё слишком рано. Для начала неплохо бы было создать подробные методические рекомендации для тех, кто будет использовать такой «удалённый» тип привода. Они должны показать людям, как правильно обращаться со своим телом и контролировать его, как бы странно это ни звучало на первый взгляд.

Про экзоскелеты сегодня говорят очень много. Уже сейчас они переходят из разряда амуниции супергероев в статус относительно привычных бытовых помощников, призванных в первую очередь сохранить здоровье. Как любая инновационная технология, эти скелеты требуют огромной работы. Причём большая её часть лежит именно в плоскости подготовки пользователей. Забавно, но на моей практике наиболее часто вопрос о том, где такое устройство можно достать, задавали не бизнесмены и заядлые технари, а простые бабушки и их родственники, которые на досуге предпочитают погулять по лесу, попутно набрав грибов и ягод, или повозиться в огороде, заняв при этом не самую комфортную позу.

В целом, облегчить подобные повседневные задачи посредством этих конструкций можно. Довольно простой пассивный экзоскелет сейчас стоит примерно от 50 до 200 тысяч рублей. Не самый массовый ценовой сегмент, конечно, но деньги всё же не такие астрономические. Правда, он на самом деле будет не так эффективен там, где требуется частая смена позиций — система больше рассчитана на снятие именно постоянной статической нагрузки.

При этом нужно понимать, что технология сравнительно новая, так что у устройств пока существенное количество «детских болячек».

Дело в том, что те, кто занимается разработкой, не всегда имеют представление о физиологии, отсюда и многие проблемы. В процесс необходимо включать не только инженеров, но и физиологов, и врачей — они смогут учесть как механику, так и особенности движения мышц и суставов. Без этого весь «аппарат» будет спроектирован некорректно. Есть ещё один фактор — нервная система. Периферическая ответственна за сбор информации по всему организму, а центральная эти данные обрабатывает и на их основании выстраивает позиционирование тела в пространстве. И чем чаще выполняются одни и те же действия, тем сформированные программы движения крепче. Благодаря этому реакция ускоряется, появляется некий автоматизм, который можно проследить, например, у автогонщиков. Если в эту «структуру» добавить экзоскелет, получится значительный рассинхрон — «диалог» между «звеньями» нервной системы придётся налаживать заново. Если в новый алгоритм закрадётся ошибка, вся внешняя конструкция потенциально принесёт больше вреда, чем пользы.

И ещё один нюанс: до сих пор нет норматива по тестированию и порядку принятия экзоскелета в массовое пользование. Безусловно, можно рассчитать, с какой нагрузкой справится конструкция, но с учётом того, что устройство вмешивается в биомеханические процессы, большинство оценок всё же необъективны, особенно в долгосрочной перспективе. Над этим сейчас активно трудятся в наших НИИ, так что в скором будущем вопрос с сертификацией и соответствующими стандартами будет решён.

Экзоскелетам отводится важная роль в двигательной реабилитации. У нас в стране эти технологии начали интегрироваться около 10 лет назад. Пионером в выпуске поддерживающих медицинских конструкций стала компания «ЭкзоАтлет». Сейчас они не единственные новаторы, но именно экзоскелеты их разработки представлены более чем в 200 больницах по всей стране. Однако с учётом того, что есть и другие производители, оснащённость центров реабилитации, конечно, выше.

Когда мы говорим о лечении, речь идёт уже не о пассивных конструкциях. С задачей справятся скорее активные модели, которые компенсируют недостаток двигательной функции за счёт приводов. Сегодня наиболее востребованы экзоскелеты нижних конечностей. Они обеспечивают возможность двигаться, тем самым препятствуя развитию атрофии мышц и разрушению суставов.

Сам же процесс выглядит так: пациента облачают в своего рода «механические брюки». А суть тренировки заключается в том, что устройство имитирует обычную ходьбу, буквально заставляя ноги перемещаться. Продолжительность процедуры подбирается индивидуально. Она может занимать от десяти минут до нескольких часов. И здесь дело не только в потенциальной возможности, например, самостоятельно ходить без поддержки через какое-то время. Иногда подобные занятия помогают улучшить эмоциональное состояние пациента. Этот эффект бывает не менее важным, чем физические успехи.

И всё же нужно понимать, что экзоскелет не панацея, такие упражнения подходят не всем, и связано это с особенностью самого заболевания.

Если же говорить о верхних частях тела, то имеет смысл отметить ещё одну российскую разработку — «Экзокисть-2» от «Экзопласта». Её действие основано на показателях ЭЭГ через интерфейс мозг-компьютер. Задача этого тренажёра в том, чтобы человек представлял себе движения руки, даже если физически это, по той или иной причине, невозможно. В голове в процессе упражнения происходит реорганизация мозговых функций, на которые со временем начнёт откликаться механизированная кисть. Это позволяет совершать простейшие манипуляции даже при условии полного паралича.

Однозначного ответа на этот вопрос нет. Кому-то достаточно повторно запустить процессы, связанные с движением, а кому-то даже длительные тренировки не принесут результата. Это зависит как от состояния пациента, так и от подхода специалиста реабилитационного центра. 

Во-первых, один из самых важных этапов — это подгонка под параметры конкретного человека. Конструкция преимущественно жёсткая и сама по себе не способна на 100% воспроизвести естественные движения. Это можно максимально нивелировать, но, если ошибиться при настройке, есть риск получить противоположный от ожидаемого эффект.

Второй значимый аспект — сами пациенты. Здесь в минус могут сыграть как повышенная утомляемость нервной системы, так и изначально негативный (скептический) настрой к методам реабилитации.

Активные устройства на данный момент очень дорогие. Их стоимость исчисляется миллионами, так что для личного пользования их практически не заказывают, хотя в теории, да и на практике, это возможно. Но помимо цены есть ещё один нюанс: применять конструкцию можно только под строгим контролем врача-реабилитолога. Дело в том, что при самостоятельных тренировках слишком велик риск неверно оценить прогресс и просто перегрузить себя. Утомление может быть настолько сильным, что занятия придётся отложить на некоторое время. Это оказывает огромный негативный эффект на весь процесс восстановления, «стирая» весь ранее достигнутый успех. Вероятно, когда воздействие носимых конструкций на организм будет изучено лучше, их можно будет эксплуатировать без надзора медиков, но пока говорить об этом рано. 

Да, и их довольно много. Например, применение не рекомендуется в острый период после черепно-мозговых травм. Также нельзя проводить реабилитацию при наличии повреждений кожных покровов или при патологических состояниях с высокой вероятностью обострения. Кроме того, к противопоказаниям можно отнести повышенную утомляемость при физической нагрузке. По сути, перечень очень широкий, и он отчасти перекликается с состояниями, при которых не назначают ЛФК. Всё это учитывают врачи при подборе терапии.

Конечно, станет. Применение не будет повсеместным — отрасли и сферы жизни, где экзоскелеты действительно необходимы, определятся сами собой. Мы уже не в начале пути: проведено огромное количество работы и нужный импульс для движения вперёд, кажется, получен. Хотя, безусловно, основной прогресс ещё впереди. Когда именно это произойдёт? С точностью до дня предсказать сложно, но, если взглянуть на всю картину целиком, думаю, десятилетия может хватить. В конце концов, я сам недавно ходил в экзоскелете на рыбалку, и это не было чем-то из ряда вон выходящим.

Так или иначе, любые новшества всегда встречают на пути преграды, но нельзя отрицать, что развитие науки позволяет сделать жизнь огромного количества людей легче и комфортнее. Это касается буквально каждой области, которую вы только можете себе представить, поэтому давайте наберёмся терпения. Уверены, в будущем нас всех ждёт ещё больше интересного.

Благодарим за помощь в подготовке материала инженера и кандидата биологических наук Никиту Дмитриевича Бабанова.