Экзоскелет

Медицинские экзоскелеты обычно применяются для:

• помощи при передвижении и поддержания осанки у людей с двигательными и неврологическими нарушениями;
• реабилитации после травм и заболеваний;
• восстановления или компенсации отдельных двигательных функций.

Они разрабатываются для помощи людям с последствиями инсульта, травмами позвоночника, церебральным параличом и другими двигательными нарушениями^[3]. Возможности таких устройств включают стабилизацию тела, содействие поддержанию равновесия^[4], ходьбе^[5], выполнению хватательных движений^[6], улучшение координации^[7] и выполнение других движений^[8]. В одних случаях устройства применяются временно, например в ходе реабилитации, в других — регулярно^[5]. Возможны комбинированные методики с функциональной электростимуляцией^[9] или эпидуральной стимуляцией^[10].

В производственной сфере экзоскелеты предназначены для снижения риска травм и уменьшения утомляемости^[11]. Они также могут способствовать повышению производительности труда, снижению текучести кадров и улучшению условий труда. Часто выделяют подкатегорию военных экзоскелетов, предназначенных для выполнения задач, связанных с переноской грузов и экипировки, а также с высокой физической нагрузкой^[12].

Рекреационные экзоскелеты предназначены для облегчения выполнения таких занятий, как ходьба, бег, альпинизм, катание на лыжах и занятия различными видами спорта. Они могут снижать утомляемость, повышать эффективность выполнения отдельных движений и расширять физические возможности пользователя. При этом степень и характер воздействия зависят от конструкции устройства и условий его применения. Одним из развивающихся направлений является использование экзоскелетов для поддержания физической активности в пожилом возрасте.

Существуют исследовательские и учебные экзоскелеты^[13], а также экзоскелеты и экзокостюмы, предназначенные для тренировок в условиях невесомости. Категории экзоскелетов постепенно дополняются и уточняются.

Экзоскелеты могут предназначаться для различных частей тела, включая шею, плечи, локти, кисти, спину, бёдра, колени и стопы^[14]. Часто выделяют экзоскелеты для отдельных суставов, верхней части тела, нижних конечностей и всего тела.

Жёсткие экзоскелеты имеют несущие элементы из металла, пластика или других жёстких материалов. Мягкие экзоскелеты, или софт-экзоскелеты, изготовлены преимущественно из текстиля, эластомеров и композитов^[15]. Существуют также гибридные устройства, сочетающие жёсткие и мягкие элементы.

Активные экзоскелеты снабжены приводами, например электродвигателями, гидравлическими или пневматическими системами. Пассивные экзоскелеты используют упругие элементы, такие как пружины, и не имеют приводов, требующих внешнего источника энергии^[16]. Промежуточное положение занимают квазипассивные и гибридные конструкции, в которых применяются управляемые упругие элементы или сочетание упругих элементов с приводами^[17].

Мобильные экзоскелеты перемещаются вместе с пользователем и не связаны с внешней опорой. Стационарные экзоскелеты закреплены на внешней опоре или подключены к внешнему источнику энергии; они могут применяться, например, в реабилитационных клиниках^[18].

По уровню поддержки различают экзоскелеты с низкой, средней и высокой степенью поддержки.

По способу управления выделяют экзоскелеты, управляемые непосредственными командами пользователя, сигналами от датчиков, мышечной активностью или другими биологическими сигналами, а также алгоритмами адаптивного управления и искусственного интеллекта^[19].

Экзоскелеты также классифицируют по стоимости, массе, модульности, региону и условиям применения, а также по другим характеристикам. Ни один из этих признаков не является универсально предпочтительным: выбор модели зависит от конкретной задачи и условий эксплуатации.

Комфорт и удобство ношения являются важными условиями успешного применения экзоскелета. Необходимо учитывать также тепловой и психологический комфорт пользователя.

Экзоскелеты должны быть предназначены для пользователей с различными антропометрическими параметрами и обеспечивать настройку под рост, массу тела и размеры отдельных частей тела. При проектировании необходимо учитывать как статическое, так и динамическое соответствие между устройством и телом пользователя. Это позволяет правильно распределять нагрузку, сохранять свободу движений и снижать риск травм и чрезмерного утомления.

Автономные приводы требуют компактных источников энергии, обычно аккумуляторов. В экзоскелетах также могут применяться гидравлические и пневматические системы, топливные элементы и двигатели внутреннего сгорания^[20].

Управление экзоскелетом требует сложных сенсоров, алгоритмов и приводов, обеспечивающих естественные и синхронизированные с движениями пользователя действия устройства. Для этого могут применяться методы искусственного интеллекта и машинного обучения^[21].

Выбор материалов требует сочетания прочности, лёгкости, гибкости и безопасности. В конструкциях экзоскелетов применяются сплавы с особыми свойствами, полимеры, композиты и другие материалы.

К важным аспектам относятся эргономика, внешний вид, надёжность, простота очистки и технического обслуживания, а также стоимость устройства.

Первые прототипы экзоскелетов и аналогичных устройств появились в конце XIX — начале XX века. Их описывали как бандажи, аппараты и другие механические устройства. Они предназначались для поддержки осанки и движений, а также для разгрузки отдельных частей тела при работе и занятиях спортом^[24]. Создавались как жёсткие, так и мягкие устройства; предпринимались также первые попытки оснащать подобные конструкции силовыми приводами^[25].

В 1951 году в США начались проекты по созданию экзоскелетов для армии; к началу 1960-х годов были собраны первые прототипы^[26]. Известен проект Hardiman, разработанный компанией General Electric в 1960-е годы. Его особенностями были усиление физической силы пользователя и наличие обратной связи, однако большая масса и сложность управления сделали устройство непрактичным^[27]. В 1970-е годы в Югославии разрабатывались силовые экзоскелеты для реабилитации, однако массового распространения они не получили.

В 1980—1990-е годы создавались проекты Pitman, разработанный в Лос-Аламосской национальной лаборатории, LifeSuit и другие^[28]. Большинство из них оставались демонстрационными образцами и не вышли на рынок. В этот же период появились профессиональные экзоскелеты, например устройства для стабилизации кинокамер.

С 2000 года наблюдается переход к специализированным, относительно простым и надёжным экзоскелетам, предназначенным для решения конкретных задач. Аппараты полного тела TALOS, SARCOS, BLEEX и HULC не были коммерциализированы^[29], однако медицинские и профессиональные экзоскелеты начали внедряться в практику^[30]. В 2010-е и 2020-е годы отмечается рост числа исследований и разработок облегчённых, мягких и пассивных конструкций. По состоянию на 2025 год насчитывается более 100 коммерческих моделей, главным образом предназначенных для реабилитации и промышленного применения^[14].