Екзоскелети перестають бути екзотикою і все більш активно використовуються для реабілітації та в побуті.
В останні роки з'явилося безліч гаджетів і пристроїв, що використовуються для реабілітації людей з інвалідністю та полегшення їхнього життя, підвищення мобільності, поліпшення фізичних параметрів, знижених або втрачених внаслідок різних захворювань і травм. Але, мабуть, найбільш помітною подією стала поява екзоскелетів, які використовуються не тільки в якості реабілітаційного обладнання, але і в побуті. Екзоскелети зробили справжню революцію в реабілітології, дозволивши зробити те, що ще кілька десятків років тому здавалося фантастикою - встати паралізованому людині з інвалідного візка і повернути йому здатність ходити.
Коли і як вперше з'явилися екзоскелети? Що вони собою являють? Які моделі екзоскелетів призначені для людей з інвалідністю? Скільки вони коштують? Чи є такі пристрої в Росії? Давайте спробуємо знайти відповіді на ці питання і розберемося з тим, що ж це все-таки таке - дорога іграшка чи реально діючі пристрої, які зможуть прийти на зміну інвалідних колясок.
Від бойових роботів до медичного обладнання
Ідея створення екзоскелета належить російському інженеру-механіку Миколі Янгу, який жив і працював в США. В кінці 80-х років XIX століття він зареєстрував кілька патентів по цій темі. Ягн вважав, що такий пристрій полегшить для людини ходьбу і біг, але в першу чергу екзоскелет. за розрахунками винахідника, призначався для солдатів.
Величезний внесок у розвиток екзоскелетів, як це часто траплялося з багатьма винаходами, внесли письменники-фантасти. Наочний приклад - вийшов в кінці 50-х років минулого століття роман Роберта Ханлайна «Зоряний десант», в якому бійці космічного десанту воювали з інопланетними чудовиськами в спеціальних каркасних костюмах, що полегшують їх пересування і перенесення зброї та амуніції.
Тож не дивно, що перші екзоскелети розроблялися для потреб армії. Піонером у цій галузі стала американська компанія General Electric, фахівці якої на замовлення міністерства оборони США створили в 60-х роках минулого століття екзоскелет Hardiman. Його оператор міг, приклавши зусилля для підйому 4,5 кг ваги, підняти вантаж вагою 110 кг. Однак Hardiman був занадто непрактичним через свою величезної маси в 680 кг, що значно ускладнювало його використання. Ще одним недоліком перших екзоскелетів, які унеможливлюють їх практичне застосування, були неконтрольовані інтенсивні руху.
Перші розробки екзоскелетів, призначених для використання в медичних цілях, почалися в кінці 70-х років XX століття. Піонером у цій області став югославський вчений Міомір Вукобратовіч, який розробив екзоскелет з пневмоприводом, який був призначений для того, щоб допомогти встати на ноги паралізованим людям. Проект Вукобратовіча ліг в основу екзоскелета для людей з інвалідністю, створеного на початку 80-х років в Центральному інституті травматології та ортопедії імені М.М. Приорова.
Незважаючи на те, що ідея використання зовнішнього каркаса для посилення м'язової сили людини і використання такого пристрою для реабілітації людей з ураженням опорно-рухового апарату, лежала на поверхні, втілити цю ідею на практиці дуже довго не вдавалося. Недосконалість технологій, брак необхідних матеріалів, відсутність мобільних джерел живлення - все це не дозволяло створити екзоскелет, який міг використовуватися в практичній медицині і повсякденному житті людей з інвалідністю. Реалізувати ці напрацювання вчених і інженерів вдалося лише з настанням XXI століття.
З ТЕМИ: Наречена в колясці. Як дівчині з інвалідністю влаштувати особисте життя
Робот з анатомічної параметризацією
Що ж являють собою сучасні екзоскелети? Термін «екзоскелет» походить від грец. exo - зовнішній і skeletos - скелет, тобто цей термін можна перекласти як «зовнішній скелет». Через те, що ця конструкція оснащена безліччю електронних пристроїв, екзоскелети іноді називають ношеними роботами.
Якщо не вдаватися в технічні нюанси, то екзоскелет можна описати як зовнішній каркас, який фіксується на тілі людини і дозволяє йому пересуватися за рахунок збільшення сили м'язів і розширення амплітуди рухів. У деяких випадках екзоскелет може повністю взяти на себе рухові функції людини, імітуючи природні рухи при ходьбі, вставанні з положення сидячи і назад і т.п.
Екзоскелет повторює біомеханіку людського тіла, пропорційно збільшуючи зусилля при рухах різних його частин. Оптимальна робота біомеханічної системи людина / екзоскелет заснована на визначенні відповідностей між різними анатомо-фізіологічними особливостями людського тіла і параметрами механічного пристрою - зовнішнього каркаса екзоскелета. Ці відповідності між людським тілом і екзоскелетом називають анатомічної параметризацією. Чим точніше і тонше може бути проведена анатомічна параметризация, простіше кажучи - підгонка елементів конструкції екзоскелета до тіла людини, тим функціональніша і зручніше у використанні він буде.
Конструктори і розробники екзоскелетів вже сьогодні працюють над тим, щоб принципово змінити управління екзоскелетом і перейти від заздалегідь закладених в програму алгоритмів рухів до виконання команд користувача, що подаються їм силою думки. Тобто руху екзоскелета будуть виконуватися так, як це відбувається у звичайної людини: подається команда від головного мозку до м'язів і відбуваються різні рухи в людському тілі, в т.ч. переміщення в просторі. Ось тільки рухи будуть виконуватися не м'язами, а екзоскелетом. Така можливість з'явилася з виникненням інтерфейсів мозок-комп'ютер. Розробкою нейроінтерфейси і їх впровадженням в конструкцію екзоскелетів зараз займаються багато дослідницькі центри, в т.ч. і в Росії.
В даний час медичні екзоскелети виготовляються в багатьох країнах світу, але найчастіше це аматорські розробки або прототипи, які не потрапляють в серійне виробництво. Повномасштабне виробництво екзоскелетів, що використовуються в реабілітації людей з інвалідністю або в побуті, є в таких країнах, як Японія. США, Ізраїль. Нова Зеландія, Південна Корея. Росія, Китай.
З ТЕМИ: ЗМІ: вчені в США вперше модифікували ДНК людського ембріона
В даний час випускається досить велика кількість медичних екзоскелетів, проте далеко не всі з них знайшли широке застосування в реабілітаційній практиці і лише одиниці призначені для використання в побутових умовах. Давайте розглянемо найбільш популярні моделі сучасних екзоскелетів.
Компанія REX Bionics одна з перших в світі почала випуск екзоскелетів для людей з інвалідністю. Екзоскелет REX - одна з небагатьох моделей, яка може використовуватися в побутових умовах.
Модель REX P призначена для реабілітації та використання в домашніх умовах. Можна її використовувати і для пересування поза домом, але це досить проблематично через значні габарити пристрою. Розрахована на користувачів з порушеннями роботи опорно-рухового апарату, в т.ч. і з високими ураженнями спинного мозку в шийному відділі.
Дозволяє йти вперед і назад, повернутися, сісти і встати, стояти на одній нозі, йти по сходах і по похилих площинах. Високоемкостних знімний акумулятор дозволяє використовувати екзоскелет весь день. Коли користувач не рухається, заряд батарей не витрачається. Управляється за допомогою джойстика і кнопок управління. Досить простий і зручний в управлінні. Надаватися 5-10 хвилин.
Вага - 38 кг. Розрахований користувачів з ростом від 1 м 42 см до 1 м 93 см і масою тіла до 100 кг.
Ціна - від 8 млн. Руб.
Ekso Bionics застосовується для реабілітації пацієнтів із захворюваннями і травмами спинного мозку, ураженнями опорно-рухової системи, нейром'язовими захворюваннями. Конструкція дозволяє утримувати тіло пацієнта у вертикальному положенні, таким чином, він працює тільки зі своєю вагою. Оснащений системою стабілізації і підтримки гомілковостопного суглоба. Регулює кут згинання кульшового та колінного суглобів, вибираючи найбільш оптимальний.
Відрізняється досить компактними розмірами: 1,6 м × 0,5 м × 0,4 м. Вага - 21,4 кг. Розрахований на пацієнтів з масою тіла до 100 кг, ростом про 1 м 60 см до 1 м 90 см і шириною стегон до 42 см.
Ціна - від 7,5 млн. Руб.
Один найдосконаліших і просунутих екзоскелетів. Проводиться ізраїльською компанією ReWalk Robitics. В даний час випускається вже шоста модель екзоскелета цієї компанії - ReWalk Personal 6.0, яка набагато менш громіздка і більш компактна, ніж попередні моделі. Екзоскелети ReWalk призначені для реабілітації та використання в повсякденному житті.
Обладнаний рамою підтримки таза і гомілковостопними каркасами, має сенсори нахилу, оснащений інтелектуальною системою управління і наручним комунікатором, за допомогою якого і здійснюється управління екзоскелетом.
Вага екзоскелета ReWalk - 25 кг. Розрахований на пацієнтів з масою тіла до 80 кг. Батарея може працювати без підзарядки 3 години, час її зарядки - 5-8 годин.
З ТЕМИ: У Білорусі прийнята нова редакція закону про дитячі посібниках
Ціна - від 3,5 млн. Руб.
Екзоскелет HAL випускається японською компанією Cyberdyne. Має дві модифікації: HAL 3 і HAL 5. Обидві модифікації застосовуються для реабілітації та відновлення пацієнтів з ураженнями спинного мозку, опорно-рухової системи, нейром'язовими захворюваннями. HAL 3 призначений для відновлення рухової функції нижніх кінцівок, HAL 5 - верхніх і нижніх кінцівок і торса.
Відмінною особливістю екзоскелетів HAL є наявність зворотного зв'язку між пристроєм і тілом людини. Сервоприводи екзоскелета HAL наводяться в дію імпульсами, які отримуються з м'язів людини. Ці імпульси уловлюються спеціальними датчиками, закріпленими на шкірі пацієнта. Імпульси з м'язів зчитуються датчиками і направляються в процесор, який оцінює рівень навантажень і приводить в рух необхідні сервоприводи екзоскелета. Таким чином, головний мозок заново навчається управлінню м'язами торсу, рук і ніг.
Конструкція обох модифікацій екзоскелата HAL розбірна і дозволяє використовувати їх як для однієї, так і для обох кінцівок. HAL 3 може користуватися для однієї або двох ніг, HAL 5 - для однієї або двох рук і ніг.
Вага моделі HAL 3 - 10 кг. HAL 5 важить 12 кг. Обидві вони розраховані на пацієнтів з масою тіла до 80 кг. Система харчування забезпечує безперервну роботу пристрою на термін від 1 до 1,5 годин.
Ціна екзоскелетів HAL виробником не вказується, тому що вони не надходять у продаж, а здаються в оренду лікувальним установам терміном на 5 років.
Це досить нова розробка американської компанії Parker Hannifin Corporation, яка з'явилася на ринку в минулому році. Indego призначений для використання при реабілітації і в побутових умовах.
Характерна особливість Indego - модульна конструкція, що дозволяє зібрати і підігнати всі частини екзоскелета під конкретного користувача безпосередньо при надяганні. Акумулятор забезпечує 4 години непрервиной роботи.
Вага Indego - 12 кг. Конструкція розрахована на користувачів з ростом від 1 м 55 см до 1 м 91 см і масою тіла до 113 кг.
Ціна - від 4,5 млн. Руб.
Це єдина на сьогоднішній день вітчизняна модель екзоскелета, що виробляється серійно і вже надходить до лікувальних закладів і реабілітаційні центри Росії. ЕкзоАтлет розроблений в інноваційному центрі «Сколково».
ЕкзоАтлет може використовуватися як для реабілітації, так і в побуті, а також для відновлення пацієнтів, які перенесли інсульт. Його особливістю є можливість вносити зміни в алгоритм у міру використання і придбання користувачем певних навичок. Тобто ЕкзоАтлет можна підігнати під кожного конкретного користувача і його індивідуальні переваги в експлуатації екзоскелета. Додаткова опція - електростимуляція м'язів за допомогою імпульсів, синхронізованих з рухами екзоскелета.
Вага конструкції - 20 кг.
Ціна - від 1,5 млн. Руб.