Мягкий экзоскелет , также известный как мягкий носимый робот или мягкий роботизированный экзокостюм , представляет собой тип носимого роботизированного устройства, предназначенного для расширения и улучшения физических возможностей человеческого тела. В отличие от традиционных жестких экзоскелетов , которые обычно изготавливаются из твердых материалов, таких как металл, и надеваются на конечности пользователя, мягкие экзоскелеты изготавливаются из гибких и легких материалов. Мягкие экзоскелеты предназначены для помощи людям с нарушениями подвижности , содействия реабилитации , повышения работоспособности человека и улучшения общего качества жизни.
This section may contain information not important or relevant to the article's subject. (January 2024) |
Концепция экзоскелетов восходит к научно-фантастической литературе, где авторы представляли себе механические костюмы, расширяющие человеческие возможности. Однако мягкие экзоскелеты, какими мы их знаем сегодня, берут свое начало в развитии мягкой робототехники и передовой материаловедения . Эволюцию мягких экзоскелетов можно разделить на несколько ключевых этапов:
Проект Hardiman (1965–1971) был одной из самых ранних заметных попыток создания экзоскелета с электроприводом, спонсируемого американскими военными и разработанного General Electric и армией США . Проект был направлен на создание жесткого экзоскелета для всего тела, чтобы повысить силу и выносливость солдат и рабочих . Костюм Hardiman позволял поднимать 250 фунтов (110 кг) так же, как поднимать 10 фунтов (4,5 кг). Работающий на гидравлике и электричестве, костюм позволял владельцу увеличивать свою силу в 25 раз, так что поднять 25 фунтов было так же легко, как поднять один фунт без костюма. Однако проект был прекращен из-за технических проблем, включая проблемы с электропитанием и управлением. [2]
В Советском Союзе исследования по силовым экзоскелетам проводились в рамках Советского кибернетического исследовательского проекта [3]. Ученые и инженеры исследовали разработку экзоскелетов для военных целей, сосредоточившись на улучшении физических возможностей солдат. Бионика включает в себя всестороннее исследование природы, включение технических элементов в изучение флоры и фауны . Дисциплина вращается вокруг имитации естественных производственных процессов , воспроизведения биологических методов и механизмов и изучения социального поведения организмов. [4]
На закате 19-го века русский инженер по имени Николай Ягин отправился в новаторское путешествие, которое заложило основу для революционного технологического скачка — создания первого в мире устройства, похожего на экзоскелет. [5] Это был 1890 год, эпоха, характеризующаяся быстрой индустриализацией и пылким духом инноваций . Ягин, дальновидный ум со страстью к инженерии и человеческому расширению, посвятил себя созданию решения, которое расширило бы возможности человеческого тела. Вдохновленный чудесами природы и сложной конструкцией экзоскелетов насекомых, он представил себе устройство [6] , которое могло бы улучшить человеческую подвижность и силу. Ранний прототип экзоскелета состоял из шарнирных соединений и сети шестеренок, пружин и рычагов, которые реагировали на движения пользователя. Его цель была ясна — расширить человеческое тело, обеспечив поддержку и увеличивая силу. [7] [8]
В конце 1970-х годов доктор Дэвид А. Винтер , исследователь биомеханики , внес заметный вклад в эту область, сосредоточившись на биомеханике человеческого передвижения . Его работа дала ценные сведения о конструктивных особенностях экзоскелетов, подчеркнув необходимость более целостного понимания движения человека. [9]
К началу 1980-х годов исследователи, такие как доктор Хомайон Казеруни, начали углубляться в практическое применение экзоскелетов для реабилитации. В 1989 году доктор Казеруни основал Berkeley Bionics , что стало поворотным моментом, ознаменовавшим сдвиг в сторону разработки более удобных для пользователя экзоскелетов. Однако в этот период жесткие экзоскелеты оставались основным направлением, с ограничениями по весу и мобильности. [10] [11]
В 1983 году Массачусетский технологический институт (MIT) представил MIT Exoskeleton, мощный экзоскелет, разработанный для целей реабилитации. Этот проект, возглавляемый доктором Стивеном Якобсеном , стал заметным шагом вперед в деле внедрения робототехники во вспомогательные устройства. [12] [13]
Прототип экзоскелета нижних конечностей Беркли (BLEEX) появился в конце 1990-х годов, когда ландшафт разработки экзоскелетов переживал фазу трансформации, когда исследователи и инженеры изучали инновационные способы улучшения человеческих возможностей. Экзоскелет нижних конечностей Беркли (BLEEX) был одним из таких пионерских проектов, заложивших основу для достижений в области экзоскелетов с электроприводом. Проект BLEEX, инициированный Лабораторией робототехники и инженерии человека Калифорнийского университета в Беркли, стремился решить проблемы, связанные с ходьбой и переноской тяжестей. Основной целью была разработка мягкого экзоскелета, способного снизить метаболические затраты на эти виды деятельности, тем самым обеспечив прорыв в технологии аугментации человека. [14] Ранние прототипы BLEEX демонстрировали интеграцию гибких материалов и систем привода, что ознаменовало отход от более жестких конструкций экзоскелетов того времени. Исследователи сосредоточились на создании симбиотических отношений между носителем и экзоскелетом, подчеркивая комфорт и естественность движения. По мере того, как проект развивался в 2000-х годах, BLEEX получил признание за свои потенциальные применения в различных областях, включая военную, медицинскую реабилитацию и промышленные установки. Концепция мягкого экзоскелета, впервые разработанная BLEEX, стала катализатором для последующих исследований в области разработки носимой робототехники. [15] [16]
В тандеме с проектом BLEEX, 1990-е годы стали свидетелями всплеска пионерских исследований, посвященных использованию потенциала экзоскелетов в промышленных условиях. Жесткие экзоскелеты появились как многообещающее решение, направленное на облегчение физического напряжения, испытываемого работниками, занятыми задачами, требующими подъема тяжестей и повторяющихся движений .
Один из замечательных примеров этой эпохи включает в себя согласованные усилия команды инженеров под руководством доктора Хироши Кобаяши [17] в Токийском университете науки . В 1995 году эта команда представила новаторский экзоскелет с электроприводом, специально разработанный для помощи строителям в Японии. Экзоскелет, оснащенный современными интеллектуальными приводами и датчиками движения , был тщательно создан для увеличения силы и выносливости человека, тем самым облегчая бремя, связанное с ручным трудом в строительной отрасли. [18] [19]
Импульсом к этой разработке послужила насущная необходимость решения проблемы высокой частоты травм опорно-двигательного аппарата среди строительных рабочих, особенно тех, кто занимается подъемом и транспортировкой тяжелых строительных материалов . Интегрируя передовые технологии в конструкцию экзоскелета, инженерная группа стремилась создать симбиотические отношения между человеком и машиной, повышая как производительность, так и безопасность труда.
Стимулом для ранних экспериментов часто служили военные нужды и промышленные требования. В военном контексте исследования экзоскелетов были направлены на создание экзоскелетов с электроприводом, которые могли бы увеличить силу солдат, позволяя им переносить более тяжелые грузы на большие расстояния, перемещаться по сложной местности и выполнять задачи, которые в противном случае были бы напряженными или опасными. В промышленном секторе основное внимание уделялось разработке экзоскелетов для помощи работникам в задачах, связанных с подъемом тяжестей, повторяющимися движениями и длительным стоянием на ногах, тем самым снижая риск производственных травм и повышая производительность.
Эволюция мягких экзоскелетов тесно переплетена с вкладом пионеров-новаторов и исследователей, которые раздвинули границы носимой робототехники. По мере того, как технология переходила от жестких экзоскелетов к более мягким и гибким конструкциям, несколько ключевых фигур и значительных разработок сформировали историю мягких экзоскелетов.
Конор Уолш, [20] исследователь Гарвардского университета , добился значительных успехов в технологии мягких экзоскелетов, разработав Soft Exosuit. [21] Команда Уолша в Институте биологической инженерии Висса создала легкий и гибкий экзоскелет, который использовал текстильные приводы для помощи определенным группам мышц. Этот новаторский подход ознаменовал отход от жестких структур, предлагая более комфортный и естественный опыт ношения. [22] [23]
Институт биологической инженерии Висса продолжал оставаться на передовой исследований мягких экзоскелетов. Исследователи института сосредоточились на совершенствовании конструкций мягких экзоскелетов, интеграции передовых датчиков и систем управления, а также изучении различных приложений, включая медицинскую реабилитацию и повышение производительности человека при выполнении различных задач.
Cyberdyne Inc. , японская робототехническая компания, основанная доктором Ёсиюки Санкаи , разработала экзоскелет Hybrid Assistive Limb (HAL). HAL был одним из первых коммерчески доступных мягких экзоскелетов, разработанных для улучшения и поддержки подвижности человека. Экзоскелет обнаруживал биоэлектрические сигналы от мышц пользователя, что позволяло интуитивно управлять устройством. HAL нашел применение в здравоохранении , помогая людям с нарушениями подвижности и внося вклад в область роботизированной реабилитации. . [24] [25]
ReWalk Robotics, основанная доктором Амитом Гоффером , представила персональные экзоскелетные системы, предназначенные для помощи людям с травмами спинного мозга при ходьбе. Эти носимые устройства использовали мягкие компоненты и передовые датчики движения, позволяя пользователям стоять, ходить и подниматься по лестнице самостоятельно. Экзоскелеты ReWalk представляли собой значительный скачок в области вспомогательных технологий , повышая мобильность и автономность людей с параличом . [26]
Результаты этих ранних экспериментов были новаторскими по концепции, но они столкнулись с серьезными проблемами. Жесткие экзоскелеты, хотя и многообещающие, часто оказывались громоздкими и непрактичными для длительного использования. Они ограничивали естественные движения, вызывая дискомфорт и препятствуя гибкости носителя. Более того, электропитание, механизмы управления и общий вес этих экзоскелетов создавали значительные препятствия для их широкого внедрения.
Несмотря на эти проблемы, ранние эксперименты с жесткими экзоскелетами стали решающим шагом в развитии носимой робототехники. Они продемонстрировали потенциал расширения человеческих возможностей с помощью внешних систем, вызвав любопытство и побудив исследователей исследовать альтернативные подходы. Именно с этих проблем и идей начался переход к мягким материалам и пневматическим приводам , заложив основу для разработки мягких экзоскелетов в последующие десятилетия.
Область мягких экзоскелетов стала свидетелем быстрого прогресса в исследованиях и разработках, обусловленного сотрудничеством экспертов в различных дисциплинах, таких как инженерия, биомеханика , материаловедение и информатика .
Исследователи сосредоточились на разработке современных материалов , которые обеспечивают баланс между гибкостью , долговечностью и прочностью. Умные материалы , включая сплавы с эффектом памяти формы , гибкие полимеры и легкие композиты, были исследованы для создания мягких компонентов экзоскелета. Эти материалы позволяют экзоскелетам соответствовать телу пользователя, обеспечивая удобную посадку и при этом необходимую поддержку и помощь. [27]
Использование мягких приводов , таких как пневматические искусственные мышцы и мягкие электроактивные полимеры , изменило способ работы мягких экзоскелетов. Эти приводы имитируют естественные движения мышц , обеспечивая плавную и точную помощь. В сочетании с сенсорными технологиями, такими как гибкие датчики деформации и инерционные измерительные блоки, мягкие экзоскелеты могут определять движения и намерения пользователя, обеспечивая корректировки в реальном времени и персонализированную поддержку.
Интеллектуальные алгоритмы управления, часто основанные на искусственном интеллекте и машинном обучении , позволяют экзоскелетам адаптироваться к походке, позе и рельефу пользователя. Эти алгоритмы анализируют данные датчиков и оптимизируют помощь в реальном времени, обеспечивая плавный и естественный опыт ходьбы для пользователей с нарушениями подвижности. Значительные успехи были достигнуты в улучшении взаимодействия между людьми и мягкими экзоскелетами за счет внедрения интеллектуальных алгоритмов управления . Эти алгоритмы, часто основанные на искусственном интеллекте и машинном обучении , изменили способ, которым мягкие экзоскелеты реагируют на движения пользователей, что привело к созданию более интуитивных и эффективных вспомогательных устройств.
Исследователи из Университета Карнеги-Меллона в сотрудничестве с компаниями, производящими экзоскелеты, стали пионерами в разработке адаптивных алгоритмов управления для мягких экзоскелетов. [42] Новаторское исследование, посвященное оптимизации помощи экзоскелета при ходьбе с участием человека, [43] опубликованное в журнале Science , продемонстрировало эффективность этих алгоритмов в корректировке помощи экзоскелета в реальном времени. Пользователи с травмами спинного мозга отметили 30%-ное улучшение эффективности ходьбы, поскольку алгоритмы плавно адаптировались к изменениям рельефа и позе пользователя.
Ученые из ETH Zurich углубились в применение моделей глубокого обучения в управлении мягким экзоскелетом. В исследовательской работе, опубликованной в 2020 году на 8-й Международной конференции IEEE RAS/EMBS по биомедицинской робототехнике и биомехатронике (BioRob) [44] [ необходима полная ссылка ], была описана интеграция сверточных нейронных сетей (CNN) для анализа данных датчиков носимых экзоскелетов. Исследование продемонстрировало 25%-ное снижение расхода энергии у пользователей, перемещающихся по различным ландшафтам , что подчеркивает роль глубокого обучения в оптимизации помощи при ходьбе.
Исследовательский центр реабилитационной инженерии (RERC) по носимой робототехнике провел испытания , ориентированные на пользователя, с участием людей с мышечной дистрофией . Инженеры RERC разработали персонализированную систему управления на основе алгоритмов обучения с подкреплением . Испытания, охватывающие год, показали 35%-ное улучшение комфорта и простоты использования, о которых сообщали пользователи. Результаты были опубликованы в журнале Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, [45] подчеркивая значимость подходов, ориентированных на пользователя, при разработке алгоритмов управления. [46]
Мягкие экзоскелеты с их передовыми технологиями и инновационными конструкциями нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, преобразуя то, как люди работают, двигаются и живут. Поскольку область мягких экзоскелетов продолжает развиваться, несколько ключевых отраслей промышленности приняли эту технологию, что привело к значительному повышению эффективности, безопасности и качества жизни.
Мягкие экзоскелеты произвели революцию в области здравоохранения и реабилитации, предоставив надежду и мобильность людям с травмами спинного мозга, пережившим инсульт и неврологическими расстройствами. Такие компании, как Ekso Bionics и ReWalk Robotics [47], разработали мягкие экзоскелеты, специально предназначенные для целей реабилитации . EksoGT, представленный в 2016 году, широко применяется в реабилитационных центрах по всему миру, помогая пациентам восстанавливать мобильность и независимость. ReStore Exo-Suit от ReWalk [48] , выпущенный в 2019 году, добился значительных успехов в оказании помощи пережившим инсульт в процессе восстановления, улучшая способность ходить и равновесие.
Мягкие экзоскелеты нашли применение в производственных и промышленных условиях, где они помогают рабочим поднимать тяжелые грузы и снижают риск травм опорно-двигательного аппарата. Носимый робот Hyundai Vest Exoskeleton (H-VEX) компании Hyundai Motor Company [49] [50] , представленный в 2018 году, использовался на их сборочных линиях, повышая производительность и снижая физическую нагрузку на рабочих. Ford Motor Company в сотрудничестве с Ekso Bionics внедрила EksoVest (теперь это следующая эволюция Ekso EVO) [51] на 15 своих заводах по всему миру [52] , поддерживая рабочих во время выполнения задач над головой и повторяющихся движений с 2017 года.
Мягкие экзоскелеты добились значительных успехов в военных приложениях , повышая выносливость солдат и снижая усталость во время длительных миссий. Тактический штурмовой легкий костюм оператора (TALOS), разработанный Командованием специальных операций США , включает в себя мягкие компоненты экзоскелета для увеличения силы и ловкости солдат. Пока еще находящийся на стадии исследований и разработок, TALOS представляет собой новаторскую попытку интеграции мягких экзоскелетов в военные операции, направленную на повышение возможностей солдат на поле боя. [53]
Строители и операторы тяжелой техники часто сталкиваются с физически сложными задачами, и мягкие экзоскелеты оказались бесценными в этих условиях. Выпущенный в 2019 году Levitate AIRFRAME [54] от Levitate Technologies носят строители, чтобы снизить усталость и минимизировать нагрузку на поясницу и плечи, что позволяет им работать более комфортно и эффективно. Кроме того, такие компании, как Sarcos Robotics, разработали мягкие экзоскелеты для промышленного применения, включая строительство и обслуживание инфраструктуры, повышая безопасность и производительность труда работников [55].
Мягкие экзоскелеты показали себя многообещающими в улучшении качества жизни пожилых людей и людей с нарушениями подвижности. MyoSuit, [56] разработанный MyoSwiss AG, представляет собой носимый экзоскелет, который обеспечивает поддержку нижней части тела, помогая людям с проблемами подвижности. MyoSuit получил признание за свой удобный дизайн и эффективность в обеспечении естественных движений. [57] В Японии гибридная вспомогательная конечность (HAL), разработанная Cyberdyne Inc. , использовалась в реабилитационных центрах для помощи пациентам с нарушениями подвижности, предлагая им возможность стоять, ходить и восстанавливать независимость. [58] [59]
В 2018 году такие компании, как SuitX [60], представили экзоскелетные решения, такие как MAX, [61], специально разработанные для работников логистики и складирования . Экзоскелеты MAX помогают поднимать и переносить тяжелые грузы, снижая риск травм. Экзоскелет MAX объединяет системы backX, shoulderX и legX, [62] образуя комплексный экзоскелет для всего тела, предназначенный для различных промышленных условий. Его цель — минимизировать нагрузку на колени, спину и плечи, позволяя пользователям продлить продолжительность своей работы с меньшей усталостью и сниженной вероятностью травм.
Hunic, [63] известный игрок в этой области (лауреат премии IFOY), [64] разработал запатентованный мягкий экзоскелет под названием SoftExo, известный своей легкостью, высокой производительностью и эргономичным дизайном. SoftExo предлагает достижения в технологии экзоскелетов, способствуя эволюции решений, направленных на улучшение благополучия и возможностей работников в различных отраслях промышленности [65]
Мягкие экзоскелеты были интегрированы в протоколы реагирования на чрезвычайные ситуации , особенно в регионах, подверженных стихийным бедствиям. Экзоскелет XOS 2, разработанный Sarcos Robotics, используется спасателями с 2016 года. Увеличивая силу носителей, XOS 2 помогает поднимать тяжелые обломки и переносить необходимое оборудование во время спасательных операций. Эта технология была развернута в различных районах, пострадавших от стихийных бедствий, повышая эффективность поисково- спасательных операций [66] [67] [68]
Мягкие экзоскелеты, такие как MyoSuit [69], разработанные MyoSwiss AG, используются в образовательных учреждениях и исследовательских лабораториях с 2019 года. Исследователи и студенты используют MyoSuit для изучения моделей движений человека , методов реабилитации и биомеханики . [70] [71] Этот носимый экзоскелет дает ценную информацию о вспомогательных технологиях, формируя будущее методов реабилитации и исследований взаимодействия человека и машины.
В индустрии развлечений Teslasuit, представленный в 2017 году, объединяет технологию мягкого экзоскелета с системами тактильной обратной связи . [72] Этот костюм предоставляет пользователям захватывающие впечатления в виртуальной и дополненной реальности . Предоставляя реалистичные ощущения прикосновения и движения, Teslasuit улучшает игры , симуляции и виртуальные впечатления в развлекательных аттракционах, делая виртуальные миры более увлекательными и интерактивными [73]
Эти примечательные решения мягкого экзоскелета и их внедрение в различных отраслях промышленности подчеркивают значимость этой технологии для повышения эффективности , безопасности и пользовательского опыта. Поскольку эти инновации продолжают развиваться, они обещают изменить отрасли и улучшить жизнь людей в различных секторах.