Розробка екзоскелетів: коли підштовхувати того, хто йде?

Експериментальна установка.

Як екзоскелет повинен допомагати своєму носієві рухатися? Відповідь не така очевидна, як може здатися.

Екзоскелети поки не увійшли широко в наше життя, але їх вже починають потроху застосовувати в збройних силах, при вантажно-розвантажувальних роботах, в реабілітаційних центрах. Однак до повного «силового обладунку», що до захищає і підтримує все тіло «сервоброні», як у космодесанта у вигаданому всесвіті Warhammer 40000 або у деяких персонажів комп'ютерної гри Encased, нам ще далеко. Багато сучасних моделей екзоскелетів обмежуються підтримкою, наприклад, тільки ніг, тільки рук, тільки хребта. Причому часто ця підтримка - пасивна, просто допомагає перерозподіляти розвантаження по тілу.

Одна з найважливіших проблем, що стоять на шляху розвитку екзоскелетної галузі, - харчування: щоб запасти кількість енергії, достатню для скільки-небудь довгої роботи «пристойного» повного екзоскелета, який дозволяв би відносно легко управлятися з великими навантаженнями, сьогодні знадобилися б акумулятори такого розміру і такої маси, що якщо повісити їх на сам екзоскелет, він стане марним. Для розуміння: знаменитий робот-собака Spot важить 47,6 кг, з них 4,2 кг - маса акумулятора, при цьому корисне навантаження, яке здатний нести робот, - всього 14 кг, а максимальний час його роботи - жалюгідні 90 хвилин. І це час роботи без корисного навантаження! З навантаженням менше. Але всередині робота немає живої людини, тобто, з одного боку, не треба її підтримувати, з іншого - у людини є власні скелет і мускули, і, якщо поєднати їх пасивну підтримку, що допомагає перерозподіляти навантаження, з вибірковою активною підтримкою тільки в ті моменти, коли необхідно, це дозволить зменшити розмір носимого акумулятора. Крім економії енергії, у такої вибіркової підтримки є ще один плюс: активний вплив на скелетно-м'язовий апарат людини в моменти, коли це не потрібно, а також не з тією силою, яка потрібна, і не в тому напрямку, буде швидше заважати, навіть якщо його мета - допомогти.

Звичайно, розробники екзоскелетів все це прекрасно розуміють, але ось питання: а в які саме моменти яких дій нашому тілу потрібна підтримка? І тут все не так просто. Наприклад, недавнє дослідження зовнішньої допомоги при ходьбі, стаття про яке опублікована в березні в Science Robotics, показало не найбільш інтуїтивно очікувані результати.

Дослідники з американських Національних інститутів охорони здоров'я (National Institutes of Health, NIH) і Університету Небраски в Омасі (University of Nebraska at Omaha) спорудили установку з бігової доріжки, роботизованого троса, здатного тягнути вперед за широкий пояс на талії, безлічі. Метою дослідження було - розібратися, в які моменти найкраще надавати зовнішню допомогу тому, хто йде, щоб максимально знизити метаболічні витрати його організму. І - раптово - виявилося, що найкращий ефект досягається при впливі в самій середині інтервалу подвійної опори.

"Коли ми ходимо, є короткий проміжок між кроками, коли одна нога припиняє рух вперед, в той час як інша готується прискоритися, щоб зробити наступний крок. Наше дослідження показує, що це коротке вікно, коли обидві ноги знаходяться на землі, - найкращий час для докладання сили, щоб допомогти ходьбі найбільш ефективно ", - пояснив доктор Філіп Малкольм (Phillippe Malcolm), один з авторів дослідження.

Цікаво, що результати дослідження суперечать стратегіям, які допомагають, інспірованим «здоровим глуздом». Адже здається логічним допомагати нозі в той момент, коли вона штовхає тіло вперед. Автори називають такі стратегії біоінспірованими, тобто заснованими на прямому буденному спостереженні за природою.

"Хоча біоінспірована допомога при русі і може давати певні переваги, наше дослідження показує, що ця стратегія - не обов'язково найкраща для зниження метаболічних витрат або енергії, що витрачається, - говорить Прокопіос Антонелліс (Prokopios Antonellis), перший автор дослідження. - Це відкриття підтверджує необхідність більшою мірою звертати увагу на результати біомеханічного тестування, а не намагатися передбачити оптимальні стратегії, просто спостерігаючи за природою ".

Щоб вам не здалося, що все занадто просто, зауважимо, що в ситуації з ходьбою справа не тільки в тому, щоб тягнути людину вперед в моменти, коли обидві її ноги стосуються землі. По-перше, важливо дуже точно розрахувати час впливу, по-друге - важлива крива сили, тобто те, як тягучий привід прискорюється і сповільнюється. І це ж тільки ходьба і тільки один спосіб зовнішнього впливу. Для створення ж ідеально збалансованого активного екзоскелету необхідно подібним чином дослідити величезну безліч можливих рухів. Причому слід враховувати, що не завжди стратегія зовнішньої допомоги нашому тілу повинна виходити із завдання зниження метаболічних витрат. Це може бути і зниження сили стиснення, що діє на хребет, і збільшення «вантажопідйомності», і забезпечення комфортного руху без відчуття «склеїв» - моментів включення і вимикання сервоприводів. Для забезпечення всього цього потрібно ще багато досліджень.

Результати ж згаданого дослідження можуть бути застосовані не тільки в розробці екзоскелетів, але і в реабілітаційній робототехніці - наприклад, для полегшення тренувань пацієнтів, які заново вчаться ходити після різних знедолюючих травм, операцій і захворювань.