Первый удар по мячу на церемонии открытия чемпионата мира по футболу в Бразилии сделал молодой человек, полностью парализованный ниже пояса. Это был очень трогательный момент. И одновременно наглядная демонстрация возможностей экзоскелета — надеваемой на тело механической конструкции, которая послушна оператору и — более того! — значительно увеличивает его силу и выносливость.
Давным-давно придуманное и описанное фантастами устройство все больше обретает черты реальности: разработчики из разных стран уже начинают выводить на рынок практичные экзоскелеты для различных областей применения. Тот, что вернул подвижность парализованному пареньку на стадионе Сан-Паулу под прицелом телекамер, был построен бразильским нейрофизиологом Мигелем Николелисом в рамках международного проекта «Снова хожу» (Walk Again), в котором принимают участие университеты Бразилии, Швейцарии и США. Это бионический роботизированный экзоскелет, который управляется с помощью интерфейса «мозг — машина», то есть, по сути, силой мысли оператора.
Пока основных направлений у «экзоскелетостроителей» два — оборонное и медицинское. Военные мечтают о суперсолдате, обладающем нечеловеческой силой и подвижностью. Инвалиды — об экзоскелете, который поможет им вернуться к нормальной жизни. (А ведь примерно каждый сотый житель Земли прикован болезнью к постели или инвалидной коляске!) Но этими применениями дело явно не ограничится. Со временем экзоскелеты освободят человечество от тяжелого физического труда (превратив его в легкий), а возможно, и кардинально изменят сам способ перемещения человека в пространстве.
Принцип черепахи
«Внешний скелет» — так можно перевести с греческого термин «экзоскелет». Название жутковатое, зато точно передающее суть: идея в том, чтобы создать конструкцию, которая способна помочь живому существу физически, при этом оставаясь вне тела. Принцип подсмотрен у природы: эволюция нащупала его давно и воплотила в кузнечиках, крабах, черепахах и других созданиях. Но человек пытается творчески дополнить его, создавая не только пассивные экзоскелеты, движимые мускульной силой самого оператора, но и активные, то есть снабженные силовой установкой.
Если не вдаваться в детали, то механическое устройство экзоскелета довольно просто. Есть набор несущих элементов — «костей» из стали, алюминия, прессованных углеродных волокон или композитных материалов высокой прочности, которые соединяются при помощи «суставов» — шарниров. И есть агрегаты, приводящие конструкцию в движение, — электромоторы, гидравлические узлы или пневматика. Вместе с аккумулятором и бортовым компьютером такая конструкция весит минимум дюжину килограммов, а часто и несколько десятков. Однако человек, облаченный в экзоскелет, его веса не ощущает и особых усилий для перемещения не прилагает. От него в данном случае требуется лишь направлять машину, то есть совершать обычные движения конечностями, которые будут «замечены» электроникой и продублированы приводными механизмами.
Интересно, что первым изобретателем экзоскелета был наш соотечественник — талантливый инженер-самоучка Николай Ягн (1849–1905). Именно он в конце XIX века спроектировал конструкцию для быстрой ходьбы и прыжков, которую назвал «эластипед». По сути дела, он реализовал идею «сапог-скороходов» и одно время даже пытался заинтересовать изобретением российское военное ведомство для учреждения «полков скоростной пехоты». Его приоритет зафиксирован несколькими патентами, но нужно понимать, что аппарат Ягна приводился в движение только силой оператора, то есть был пассивным. По-настоящему колесики творческой машины закрутились лишь во второй половине XX века, когда достижения электротехники, микроэлектроники, механики и компьютерных наук (сегодня этот сплав знаний называют мехатроникой) позволили создавать активные экзоскелеты.
Классикой жанра считается Hardiman, построенный сотрудниками американской General Electric в середине 1960‑х годов. Весил он свыше 700 кг и позволял манипулировать объектами массой почти в 350 кг. Но запустить экзоскелет в серию помешала не эта очевидная неэффективность, а сложности с управлением. Технологии того времени еще не позволяли точно отслеживать перемещения конечностей оператора и дублировать их, поэтому движениям Hardiman недоставало четкости и сноровки, да и носить такой громоздкий экзоскелет, как вспоминали потом испытатели, было страшновато.
Однако Hardiman на практике продемонстрировал преимущества активного экзоскелета. Облаченный в него человек способен преодолевать бóльшие расстояния и поднимать полезный груз, значительно превышающий его собственную массу, поскольку вес распределяется в обход тела оператора и разгружается на землю через экзоскелетные подошвы. Стоит ли удивляться, что заинтересовались экзоскелетом прежде всего военные?
Разобрать по косточкам
Впрочем, раньше военных идеей экзоскелетов «заболели» фантасты. Они начали разрабатывать эту тему почти сто лет назад и продолжают доныне. Вспомните фильм «Чужие» (реж. Ридли Скотт, 1979), где главная героиня раздавала тумаки инопланетным монстрам, облачившись в роботизированный погрузчик (такие машины, скрывающие человека полностью, принято называть мéхами1). Из новых творений с экзоскелетами в эпизодах — фантастический боевик «Грань будущего» (реж. Даг Лайман, 2014), только вышедший на широкий экран. Но увы: легче сказать, чем сделать! На практике разработчики столкнулись с множеством трудностей.
Существенные конструктивные ограничения заключаются в том, что подвижность элементов экзоскелета как минимум должна не противоречить человеческой анатомии, а как максимум — функционально соответствовать ей. Механическое «колено», в отличие от человеческого, способно сгибаться в любом направлении. Но разрешать ему делать это не стоит, чтобы оператор экзоскелета не получил травму. С другой стороны, металлический позвоночник на шарнирах вряд ли будет столь же гибким, как человеческий. В результате конструкторам приходится контролировать углы, под которыми экзоскелет способен изгибаться, а оператору — приспосабливаться к ограниченной подвижности. Кроме того, нужно контролировать и потенциально опасные движения человеческого тела, чтобы непроизвольным жестом (например, если зачесался нос) оператор не навредил себе.
Отдельная большая задача — создание удобного интерфейса управления. Более ранние разработки пытались решить ее с помощью системы распознавания движений оператора. Кнопками «Назад» и «Вперед» тут, понятное дело, было не обойтись: экзокостюм должен точно и умнó интерпретировать движения человека, чтобы экзоконечности синхронно и четко воспроизводили их. Для этого активно привлекают компьютеры, которые просчитывают скорость, ускорение, направление и амплитуду перемещения экзокостей.
Проще всего укрепить на теле датчики движения — и по их сигналам включать соответствующие электромоторы. К сожалению, этот вариант оказывается и самым грубым: в экзокостюме, управляемом таким образом, трудно не то что двигаться, а даже просто сохранять равновесие.
Намного лучший результат показывает расшифровка биотоков человеческого тела. Детектировать эти сигналы довольно просто (достаточно налепить электроды на кожу в соответствующих местах), понимать — сложнее, а применять в системах управления — задача не из легких. И все-таки она уже решена, как можно убедиться, познакомившись с современными медицинскими экзоскелетами.
Однако если позвоночник человека поврежден, сигналы в мускулатуру в поврежденной части тела не доходят. В таком случае ученые пытаются либо снимать электрические сигналы с действующих мышц (например, укрепляя электроды на мышце за ухом), либо интерпретировать непосредственно мозговую активность с помощью энцефалографии2. Способность управлять экзоскелетом посредством «мысленных приказов» требует от оператора специальной подготовки. Парализованный молодой человек, ударивший по мячу на открытии чемпионата в Бразилии, тренировался не один месяц (кстати, у него, как у космонавта, было несколько дублеров).
От теории к практике
Лишь с наступлением XXI века энтузиасты экзоскелета перешли от теории и экспериментов к коммерческой практике. И наибольших успехов добились на медицинском поприще. Достаточно упомянуть линейку экзоскелетов HAL, разработанных и выпускаемых японской компанией Cyberdyne: в настоящее время ее активно используют в медучреждениях и домах престарелых Страны восходящего солнца. Название устройства расшифровывается как «гибридная вспомогательная конечность», и в зависимости от модели HAL представляет собой либо только две ноги, либо комплект из ног и рук. Весит около 10 кг, аккумулятор и компьютер крепятся на поясе. Управляющий сигнал HAL снимает с поверхности кожи, но, помимо дублирования действий человека, он умеет двигаться и самостоятельно — в его памяти записаны типичные движения человеческого тела, такие как ходьба, посадка на стул и подъем, преодоление лестничных пролетов. Связано это с его назначением: HAL не умеет поднимать тяжести, зато замечательно ассистирует оператору — помогает ему двигаться.
Грузоподъемность в 80-100 кг и передвижение по пересеченной местности со скоростью в 12–16 км/ч — такие ориентиры задает американское военное ведомство разработчикам боевых экзоскелетов.
Очень похоже устроены и функционируют другие экзоскелеты, которые ориентированы на рынок медицинских услуг: израильский ReWalk, американский опытный Lifesuit (кстати, спроектирован бывшим военным, получившим травму позвоночника) и пр. Типичный пользователь такого экзоскелета — человек, подвижность которого сильно ограничена в результате травмы или возрастных изменений. В зависимости от степени повреждений HAL либо возвращает человеку самостоятельность, позволяя совершать повседневные действия без посторонней помощи, либо способствует его скорейшей реабилитации. Как оказалось, пациенты с повреждениями головного мозга, нервной системы, мускулатуры, поставленные на экзоноги, быстрее восстанавливают подвижность собственных конечностей: они уверены в своих силах («Я могу стоять сам!»), тренируют тело, и все это дает ярко выраженный положительный эффект. Удовольствие, правда, не из дешевых: японцы пока не продают свой экзоскелет, предпочитая сдавать его в аренду, а вот израильтяне предлагают за $85 тысяч.
Не забыла об экзоскелете и «оборонка». Вслед за масштабными, но неудачными ранними попытками создания военных экзоскелетов (уже упоминавшимися Hardiman, Pitman и др.) на свет появились вполне жизнеспособные конструкции вроде HULC от Lockheed Martin. Использующий гидравлику и электромоторы, питающийся от аккумулятора, HULC позволяет оператору нести груз до 90 кг на протяжении целого дня со скоростью, превышающей скорость пешехода, и ускорениями до 16 км/ч. Армейская специфика обусловила модульность: ремонт этого экзоскелета возможен и в полевых условиях и сводится к быстрой замене вышедших из строя частей.
В том же направлении (правда, с прицелом больше на гражданское применение) работает корпорация Boeing, которая участвует в разработке экзоскелета с дополнительной парой рук. Два «лишних» манипулятора управляются искусственным интеллектом, который пытается предугадать, какое действие понадобится выполнить человеку в следующий момент. Предположительно, такой аппарат поможет при работе на сборочном конвейере, но нетрудно представить и то, какую пользу он принесет на поле боя.
Министерство обороны США, между тем, не полагается целиком и полностью на частные компании в деле разработки военных экзокостюмов, а само запустило и координирует проект TALOS («Тактический легкий штурмовой костюм»). Цель — создание устройства с множеством важных для применения в условиях боестолкновения качеств: нечеловеческая сила, скорость, оснащенность различными сенсорами и приборами, улучшенная защита от пуль и осколков (благо вес бронежилета, предназначенного для оператора экзоскелета, перестает быть определяющим фактором). Подряды розданы в основном крупнейшим американским компаниям, работающим на «оборонку». Однако среди них неожиданно обнаруживаются и гражданские производители — например, Nike (видимо, американские военные не упускают из виду удобства ношения экзокостюма). Презентация прототипа планируется уже этим летом, принятие на вооружение — в 2018 году.
Но даже если внедрение боевого экзоскелета затянется, соответствующие наработки найдут применение на «гражданке», при работе в зонах экстремальных условий. Крупные пожары, склады ядовитых отходов, аварийные объекты атомной энергетики — здесь везде хорошо бы использовать роботов, но по факту до сих пор трудятся люди. Между тем ничто не мешает навесить антирадиационный щит, систему охлаждения и инструменты на тот же HAL — и пустить оператора разбирать завалы японской «Фукусимы» (как минимум план такой был, о результатах, правда, не известно). А Panasonic (через принадлежащую ей компанию ActiveLink) изначально поставила задачу создания экзоскелета, пригодного для работы в сложных условиях, — и выдала целое семейство: от «сапогов-скороходов» Ninja (только нижние экзоконечности; при весе в 15 кг способны поддерживать движение человека с грузом со скоростью до 12 км/ч) до полноценного PowerLoader, способного нести в каждой «руке» по 50 кг.
Метод проб и находок
В странах соцлагеря эволюция экзоскелета шла параллельным курсом. Считается, что приоритет здесь принадлежит югославским ученым из группы профессора Миомира Вукобратовича, которые в 1969 году построили действующий прототип медицинского экзоскелета на пневматическом приводе. В следующие двадцать лет, уже с участием советских коллег из МГУ и ЦИТО, проект был доведен до стадии клинических испытаний, но развал СССР прервал работу. Сегодня в России создание экзоскелета включено в число приоритетных задач научно-технологического развития и финансируется государством: экзоскелеты семейства «ЭкзоАтлет», которые в зависимости от модификации способны выполнять медицинские, спасательные и военные задачи, функционально в целом не отстают от американских и японских коммерческих разработок. Правда, речь о внедрении пока не идет.
Длящийся уже полвека мозговой штурм ясно обозначил главные трудности, ожидающие нас на пути к идеальному экзоскелету. И прежде всего — отсутствие компактного, но мощного источника энергии. Электрические аккумуляторы сгодятся в условиях медицинского стационара, где ограничение в три часа автономной работы не представляет собой проблемы. Однако «в поле», в бою, где требуется совершать большую полезную работу и работать хотя бы день, емкости аккумуляторов катастрофически не хватает. Поэтому создатели HULC, например, пока исходят из предположения, что значительную часть времени оператор их экзоскелета будет проводить в ожидании приказа, то есть бездействовать. В будущем Lockheed Martin намерена сделать ставку на топливные элементы, что теоретически должно довести время автономной работы до нескольких суток, однако потребует дополнить экзоскелет системой охлаждения. А компания Raytheon в своем устройстве XOS (кстати, выбранном армией США для ограниченного внедрения в тылу) предпочло аккумуляторам компактный двигатель внутреннего сгорания.
Другая большая проблема состоит в отсутствии адекватной механической замены биологическим мускулам. Электромеханика, гидравлика, сжатый газ — все это годится лишь с большими оговорками: КПД низок, вес и габариты значительны, подвижность ограничена. Большие надежды возлагаются на электроактивные полимеры — синтетические волокна, способные изменять свои размеры под влиянием электричества. Исследования уже ведутся, перспектива фантастическая — уменьшение веса экзоскелета в десять и более раз с одновременным увеличением степеней свободы экзоконечностей до близких к биологическим. Ведь, в отличие от того же электромотора, синтетические мышцы гибки.
Есть над чем поработать и в плане распознавания управляющих сигналов тела. Чтение и расшифровка биотоков мозга в общем уже не проблема, на рынке даже имеются дешевые стандартные решения. Однако быстродействие и спектр распознаваемых биосигналов все еще оставляют желать лучшего. Поэтому, прежде чем в продаже появятся конструкции наподобие финансируемого Евросоюзом экзоскелета для полностью парализованных людей Mindwalker (проходит клинические испытания с прошлого года), нейроэлектронный интерфейс должен быть значительно усовершенствован.
К счастью, на выручку приходят решения из параллельных научных дисциплин и видов промышленности. Так, проблему подгонки экзоскелета под размеры тела оператора удалось решить с помощью 3D-печати. Точнее, вместо того чтобы подгонять костюм, предложено печатать его сразу с учетом контуров тела конкретного человека. Насколько классным может быть результат, продемонстрировали компании 3D Systems (авторитет в 3D-печати) и Ekso Bionics (соавтор HULC), изготовившие повторяющий контуры оператора 3D-печатный экзоскелет Ekso/eLEGS: такое устройство нигде не трет, не жмет, не болтается. Планируемая цена — $100 тыс.
Аналогичным образом строителям экзоскелетов пригодились наработки робототехники. Конструкторы роботов некоторое время уже используют в работе так называемую искусственную кожу. Это эластичный синтетический материал, напичканный различными датчиками (тактильными, температурными и пр.). Им обтягивают роботов, чтобы те действовали более похоже на живых существ. Так вот: обтянув такой «кожей» конечности экзоскелета, оказалось возможным организовать обратную связь с оператором. К примеру, парализованный подросток, вышедший на футбольное поле в Бразилии, чувствовал свои ноги: прикосновение к мячу, отмеченное датчиками искусственной кожи CellulARSkin, было передано компьютером в виде вибрации ему на руку. Работать с таким экзоскелетом, конечно, нужно учиться, зато и точность управления (в теории) должна сильно повыситься.
Мешает прогрессу экзоскелета, как ни странно, умеренная фантазия энтузиастов. Не слишком успешные ранние опыты поостудили творческий пыл и аппетиты. Военные, мечтавшие о суперсолдате, теперь готовы довольствоваться пехотинцем, способным нести больше обычного и дальше обычного. А медики и вовсе мечтают «лишь» о том, чтобы отправить в отставку инвалидное кресло, заменив его более удобным и функциональным экзоскелетом. Впрочем, и эта мечта — вполне достойная!
Начать дискуссию