Фото: Институт Висса при Гарвардском университете
Exosuits — носимые роботизированные технологии, которые увеличивают наши физические способности — медленно, но неуклонно покидают мир фантастики и становятся реальностью. На этой неделе ученые представили экзоскутер, который, кажется, достиг нового рубежа, помогая пользователям ходить и бегать с меньшими усилиями.
Exosuit является результатом сотрудничества между исследователями из Института биологического вдохновения Wyss Гарвардского университета, Университета Небраски Омаха и Университета Чунг-Анг в Сеуле, Южная Корея. Возможно, более точно описать как пару экзошортов, устройство является легким, полностью переносимым, и в основном сделано из гибкого материала (за исключением аккумулятора и моторного блока). Он работает, используя двигатели для натягивания тросов, которые помогают натурально и идеально оптимально растянуть бедра при движении ног, что должно уменьшить количество энергии, расходуемой нашим телом на движение.
По словам Филиппа Малкольма, эксперта по биомеханике в университете штата Небраска в Омахе и старшего научного сотрудника проекта, предыдущие экзокостюмы уже могли снизить энергетические затраты на ходьбу. Более новые, мягкие экзокостюмы смогли сделать это, не чувствуя жестких и ограничивающих диапазон движения. Но было меньше удачи в создании портативных технологий, которые повышают способность человека к бегу, который зависит от других движений суставов и тела, нежели при ходьбе. И хотя типичный человек может легко перейти от ходьбы к бегу в любой момент, то же самое не было верно для экзоскелетов.
«Чтобы иметь возможность помогать не только бегу или ходьбе, нам нужна система», — сказал Малкольм. Чтобы преодолеть это препятствие, команда создала алгоритм, который определяет, бежит ли человек или идет. В зависимости от движения, он переключается на необходимый «профиль силы», чтобы экзоскелет мог выполнять свою работу.
Изображение: J. Kim и др. (Science)
Создав прототип, они проверили его на здоровых людях-добровольцах в различных сценариях ходьбы и бега, в том числе на беговой дорожке или во время подъема в гору. Во время этих испытаний они измеряли, сколько энергии тратят добровольцы, отслеживая, сколько кислорода им нужно для дыхания. Результаты этих экспериментов, опубликованные в четверг в Science, являются скромными, но впечатляющими.
«Таким образом, мы обнаружили 9-процентное снижение потребления энергии при ходьбе и 4-процентное снижение при беге», — сказал Малкольм. «Другие устройства, которые помогают только при ходьбе или только при беге, значительно снизили уровень. Но это статистически значимые [сокращения]. И они находятся на порядок, где можно ожидать улучшения производительности».
Сокращение может составить 7 или 5 килограммов с талии во время ходьбы или бега, соответственно. Но необходимо провести дополнительные исследования, чтобы на самом деле показать, что экзокостюм может помочь среднему человеку бежать дольше или быстрее. И все еще есть много возможностей для улучшения с нынешним дизайном. Например, хотя устройство сейчас весит 5 килограмм, команда работает над системой, которая будет весить всего 2,7 килограмм.
В то время как экзошорты требуют некоторого обучения, они не очень сложны.
«Мы протестировали устройство со здоровыми людьми, которые уже тренировались для нескольких сеансов с настоящим костюмом, поэтому вам нужно определенное время, чтобы адаптироваться и научиться пользоваться системой», — отметил Малкольм. «[Но] нет никаких конкретных инструкций. Просто положи все это и иди и беги с ним некоторое время».
В настоящее время это исследование дает представление о будущем этих устройств, которые могут быть изменены для различных целей и функций в зависимости от ситуации. Малколм сказал, что экзоскостюмы с поддержкой спины могут помочь людям лучше переносить тяжелые грузы с меньшим риском получения травм, тогда как другие могут помочь людям с ограниченными возможностями лучше реабилитировать или ориентироваться самостоятельно.
И чтобы по-настоящему попасть в научную сферу, вы можете объединить экзокостюмы с другой новой технологией: имплантами, которые позволяют мозгу взаимодействовать с устройствами и работать с ними так же, как они были еще одной конечностью. Такая комбинация может однажды сделать возможным создание «имплантируемых нейропротезов, которые могут влиять на человеческое движение или помогать ему», — писал Хосе Л. Понс, инженер-биомеханик и научный руководитель лаборатории «Ноги + ходьба» в лаборатории Ширли Райан AbilityLab в Чикаго, в сопроводительной редакционный в журнале Science.
Это не значит, что эти костюмы уже не оказывают реального воздействия.
Этим летом бостонская компания ReWalk Robotics начала продажу системы мягкого экзокостюма для клиник физической реабилитации на основе некоторых технологий, разработанных гарвардской командой. Экзо-костюм ReStore, как его называют, в июне был допущен как медицинское устройство Управлением по контролю за продуктами и лекарствами, чтобы помочь с физической терапией людей с инвалидностью нижних конечностей, вызванной инсультом. Костюм в основном ориентирован на лодыжки, а не бедра, но использует тот же базовый принцип, чтобы помочь людям во время ходьбы.