Экзоскелеты вышли за рамки лабораторий. Одни системы поддерживают руки человека над головой при операциях на производстве, другие помогают переносить груз, третьи используют в реабилитации, и т. д. Большинство экзоскелетов не «усиливают» всё тело, а разгружают его конкретную часть. NIOSH, Национальный институт охраны труда и профессионального здоровья США, подчёркивает, что исследования экзоскелетов часто проводят в лабораториях с участием здоровых людей, поэтому эффект сильно зависит от задачи, посадки и анатомических особенностей пользователей.
В этой подборке — 12 экзоскелетов, которые уже работают в реальной среде, а также «шпаргалка», как читать характеристики из пресс‑релизов и техлистов.
Что такое экзоскелет
Экзоскелет, или экзокостюм — это носимая внешняя механическая система, которая работает вместе с телом: помогает удерживать позу, поддерживает движение или снижает локальную нагрузку.
Активные и пассивные экзоскелеты
Активные экзоскелеты используют разнообразные приводы: электромоторы, пневматику или гидравлику. Привод создаёт тягу или момент в суставе, а система считывает движение по датчикам (углы, скорость, давление, нагрузка, иногда ЭМГ — электромиография, регистрация электрической активности мышц) — и помогает движению в нужной фазе.
Пассивные устройства перераспределяют нагрузку за счёт механики — пружин, демпферов, противовесов, рычагов и упругих элементов. Так система накапливает энергию в одной фазе движения и отдаёт её в другой. Например, при наклоне пружина «заряжается», а на подъёме помогает разогнуться.
Жёсткие и мягкие экзоскелеты
Жёсткие системы опираются на раму и шарниры. Рама принимает усилие и уводит его в опоры, например, в пояс, бедро, голень или в «ботинок/платформу». Шарниры задают кинематику: они или просто направляют движение, или работают вместе с приводами. Даже без моторов жёсткая механика разгружает суставы, если геометрия совпадает с телом.
Мягкие экзокостюмы работают как система тяговых линий: ремни и текстиль «снимают» с мышц часть нагрузки и перераспределяют её по поверхности тела. Система не фиксирует суставы, поэтому человек сохраняет естественную подвижность, но если стропа сместилась, усилие уходит в «нецелевые» зоны.
Из чего состоят экзоскелеты: четыре вида узлов
Для удобства сравнения экзоскелет можно разложить на составные части. Ниже — четыре вида ключевых узлов, которые формируют механику, функциональность и ограничения любой системы.
Каркас/текстиль и точки опоры
Сюда относят всё, через что устройство контактирует с телом: поясницу, таз, плечи, грудную клетку и другие опорные зоны. У жёстких систем это твёрдая рама, площадки-упоры, манжеты с каркасными вставками, полужёсткие чашки и накладки. У мягких моделей — текстиль, лямки, стропы и распределённые панели.
Посадка экзоскелета — один из ключевых факторов. Даже минимальный сдвиг узла может привести к трению, смещению, гиперразгибанию суставов, перенапряжению, нестабильности системы и другим проблемам.
Привод и механика
Это «сердце» системы. В активных моделях стоят моторы, редукторы, пневматика, гидравлика, батареи и провода. В пассивных — пружины, упругие элементы, контрбалансы, рычажные узлы.
В активных экзоскелетах приводы генерируют тягу или крутящий момент, которые облегчают движение, например когда человек встаёт из приседа с большим грузом. В пассивных системах механика возвращает часть энергии, накопленной из одной фазы, в другую. Например, пружинный узел на спине принимает часть нагрузки при наклоне и помогает вернуть корпус в исходное положение.
Сенсоры (в активных системах)
Для работы активных моделей нужны данные. Обычно их получают через:
- IMU (Inertial Measurement Unit — инерциальные измерительные модули), считывающие углы, ускорение, положение в пространстве;
- датчики нагрузки и давления, определяющие начало усилия;
- биоэлектрические сенсоры (например, ЭМГ), считывающие сигналы с поверхности кожи и предугадывающие движение.
Например, в HAL от Cyberdyne встроены сенсоры, которые улавливают биоэлектрические сигналы мышц ещё до начала усилия. Это особенно полезно в реабилитации, где важна точная и своевременная поддержка.
Управление (в активных моделях)
Контроллер экзокостюма анализирует показания датчиков и определяет:
- фазу движения пользователя (наклон, подъём, движение);
- количество помощи, которую нужно добавить;
- момент и область её активации;
- потенциальные помехи или конфликты с движением человека.
Например, коленный экзоскелет ONYX распознаёт намерение пользователя через данные ИИ и IMU, а затем рассчитывает оптимальный момент и силу, с которой экзоскелет подаст крутящий момент в сустав. Это снижает нагрузку при спуске или подъёме, сохраняя естественный шаг.
Как читать характеристики из пресс‑релизов и техлистов (и не обмануться)
Характеристики в пресс‑релизах и метрики в технических листах не всегда прозрачны. Ниже — практический чеклист для интерпретации фраз вроде «—30 % нагрузки» или «+10 % скорости».
Задача и плоскость движения
Экзоскелеты почти всегда заточены под конкретный паттерн. Это может быть работа с поднятыми руками (overhead), наклоны, подъёмы, ходьба с грузом или постоянное удержание позиции.
При смене базовых задач — например, устройство для подъёмных работ используют для движения в стороны или бега — эффект может либо исчезнуть, либо даже стать отрицательным. Здесь важны эффекты, специфичные для задачи (task-specific), и переносимость на реальный объект.
Показатели
В пресс-релизах встречаются следующие метрики:
- EMG, электромиография, «muscle activity»: снижение активности мышц в процессе работы.
- Субъективные шкалы: оценки усталости, дискомфорта, восприятия нагрузки.
- Energy cost (метаболическая стоимость): замеры энергетических затрат при ходьбе или переносе объектов.
Снижение одной метрики не гарантирует длительной защиты от травм или усталости. Например, если экзоскелет уменьшает усилия в спине, то нагрузка может пойти на коленные суставы, а это повышает риск растяжения связок, воспаления сухожилий или повреждения хряща.
Контекст измерений
Экзоскелеты обычно тестируют в лабораторных условиях, с участием здоровых людей и отсутствием внешних факторов вроде перепада температуры или неровной поверхности.
В реальности намного больше переменных. Например, разное телосложение и физическая подготовка пользователей, риск столкновений с препятствиями, нестандартные задачи или использование средств индивидуальной защиты. В таких условиях система может давать меньший эффект или даже травмировать человека.
Режимы и длительность работы от аккумулятора (для активных систем)
Если экзоскелет использует электродвигатели, гидравлику или пневматику, то важны следующие параметры:
- Масса и развесовка устройства. Тяжёлые системы ограничивают подвижность и быстрее утомляют пользователей.
- Автономность. Время работы на одной зарядке и скорость замены аккумулятора. Это особенно важно для длительных операций или работы в удалённых областях.
- Возможность безопасного отключения или переключения в пассивный режим. Опция нужна для быстрого или экстренного прекращения работы, например при технической неисправности устройства.
Так, экзокостюм IX Back Volton от Suitx бесперебойно работает от быстросъёмной батареи до 8-10 часов, что отлично подходит для полноценных рабочих смен. Также устройство можно отключить одной кнопкой, а рама позволяет наклоняться даже когда система неактивна.
Примеры экзоскелетных костюмов
Экзоскелеты используют в различных секторах, от военных до медицинских. Ниже — самые интересные примеры.
Военные экзоскелеты
Onyx
Экзоскелеты Onyx применяют для военных и спасательных задач. Система помогает при переноске боеприпасов и тяжёлого оборудования, при подъёме по лестницам или склонам.
В основе модели — ИИ-модуль, который получает данные с датчиков на стопах, коленях и бёдрах. Информация поступает в блок управления на поясе и обрабатывается в режиме реального времени. Костюм синхронизирует свои движения с пользователем и снижает нагрузку на суставы.
SABER
Проект SABER — Soldier Assistive Bionic Exosuit for Resupply — разработан компанией Interwoven Design в сотрудничестве с армией США и Университетом Вандербильта.
Конструкция состоит из плечевых ремней, эластичных лент и муфт на бедрах. Костюм снижает нагрузку на мышцы при транспортировке грузов, не ограничивая свободу движений солдат.
SuperFlex
Экзокостюм создан в рамках совместного проекта DARPA и исследовательской компании SRI. Это гибкая модель с пассивным режимом, способная переносить массу до 45 кг при энергопотреблении до 100 Вт.
Система оснащена актуаторами (исполнительными механизмами) на основе искусственных мышц, датчиками движения, а также ИИ-системой, которая анализируют моторику пользователя и повышает плавность движений — без рывков и задержек.
Реабилитационные экзоскелеты
Hybrid Assistive Limb (HAL)
Экзоскелет Hybrid Assistive Limb от Cyberdyne создан для людей с нарушениями опорно-двигательной функции — например, после травм спинного мозга, инсульта, черепно-мозговых повреждений и других неврологических нарушений. Он использует неинвазивные сенсоры, которые считывают биоэлектрические импульсы с кожи ног, когда человек начинает ими двигать. Система интерпретирует эти сигналы как намерение начать движение и синхронизирует экзоскелет с усилием пользователя, например, при ходьбе, выпрямлении ног или удержании равновесия.
HAL Lumbar Type
Экзоскелет HAL Lumbar Type разработан для поддержки поясницы при подъёме и перемещении тяжестей, например, пациентов или пожилых людей, которым нужна помощь при купании или смене положения. Эта модель улавливает и «подхватывает» попытку движения через неинвазивные сенсоры на коже. Она оснащена защитой от брызг и сменным аккумулятором с автономностью около 4,5 часа.
EksoNR
EksoNR — роботизированный экзоскелет от Ekso Bionics для работы в условиях клинической и нейрологической реабилитации. Систему одобрили в FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США) как медицинское устройство для восстановления походки у пациентов с инсультом, травмами спинного мозга и приобретёнными ЧМТ (черепно-мозговыми травмами), а также он стал первым экзоскелетом, разрешённым для реабилитации людей с рассеянным склерозом.
EksoNR помогает стоять, переносить вес тела, вырабатывать правильные шаговые паттерны и заново учиться ходить. Система регулирует поддержку каждой ноги и контролирует движение в режиме реального времени — это формирует правильную походку, улучшает балансировку и увеличивает дистанции ходьбы.
Экзоскелеты для рабочих задач
Paexo Thumb
Paexo Thumb от Ottobock — самый компактный промышленный экзоскелет для кисти. Он создавался как эргономическое решение для задач, где большой палец испытывает высокие циклические нагрузки, например при защёлкивании, вставке или подключении элементов на конвейере.
Это пассивная механическая конструкция, которая перераспределяет усилия с сустава большого пальца на всю руку — так можно разгрузить сустав на 70 % и одновременно защитить кончик пальца от давления и механических ударов. Paexo Thumb имеет несколько размеров и свободно помещается под перчаткой.
Mate
Mate от Comau — промышленный пассивный экзоскелет для верхних конечностей. Он использует механическую систему пружин и передач, которые распределяют часть веса рук на корпус, разгружая мышцы при поднятии и удержании рук над головой. Такая поддержка снижает нагрузку на мышцы плечевого пояса, улучшает осанку и облегчает выполнение статических задач. Устройство не требует ни батарей, ни мотора, но при этом повышает точность операций на 27 % и ускоряет их на 10 %.
Guardian XO
Guardian XO от Palladyne AI — полноразмерный экзоскелет для тяжёлого физического труда. Он охватывает всё тело и позволяет поднимать до 90 кг без перегрузки. Экзокостюм содержит мощные приводы, датчики и имеет 24 степени свободы (независимых направлений движения в суставах). Он повторяет движение оператора в реальном времени и увеличивает его силу примерно в 20 раз: например, груз массой 90 кг будет ощущаться как 4–5 кг.
Guardian XO используют в логистике, строительстве и на производстве — везде, где важна сила, выносливость и точный контроль.
Фитнес-экзоскелеты
WIM
Лёгкий экзоскелет WIM от WiRobotics помогает при ходьбе и физических нагрузках. Устройство состоит из пояса с откидными опорами и облегчает передвижение по ровной поверхности на 20 %. Система имеет массу всего 1,6 кг, включая аккумулятор и крепления — она не ограничивает естественное движение и легко помещается в рюкзаке.
WIM можно использовать как для восстановления походки, так и для повседневной ходьбы, например на длинные дистанции. Экзоскелет подходит для активных тренировок: он создаёт дополнительное сопротивление и работает как силовая нагрузка.
ReWalk Personal 6.0
ReWalk Personal 6.0 от Lifeward — экзоскелет для людей с параличом нижних конечностей после травмы спинного мозга или других неврологических нарушений. Система использует батареи, приводы для тазобедренных и коленных суставов, а также датчики движения. Она отслеживает наклон корпуса и небольшие смещения центра тяжести, а затем инициирует шаг и имитирует естественную походку. ReWalk Personal 6.0 настраивается под конкретного пользователя по росту, весу и анатомии. Устройство можно использовать как в стационаре, так и в домашних условиях.
DNSYS X-1
X-1 — новинка от компании DNSYS, доступная с 2024 года. Конструкция состоит из пояса и двух бедренных опор, фиксируемых в районе коленей. В устройстве стоит ИИ-система, которая анализирует походку и адаптирует уровень поддержки в зависимости от темпа, угла наклона и условий движения. X‑1 можно использовать в разных режимах — например, для ходьбы, подъёма или бега.
Заключение
Экзоскелеты — это не «суперсила» для любой задачи, а эргономический инструмент, который помогает снизить локальную нагрузку в конкретной операции.
Поэтому выбор устройства в первую очередь упирается в сценарий использования, удобную посадку, совместимость с реальным рабочим местом и оценку рисков, а не в рекламные «килограммы поддержки» или «быструю реабилитацию».
Источник habr.com
