Экзоскеле́т (экзо… и скелет), носимое человеком техническое устройство для снижения физической нагрузки на его опорно-двигательный аппарат и/или расширения возможностей в процессе физической деятельности, а также для восстановления утраченных им функций опорно-двигательного аппарата. Состоит из жёсткого подвижного каркаса, системы приводов и системы креплений.

По области применения и выполняемым функциям экзоскелеты подразделяют на промышленные – для обеспечения защиты работника от физических перегрузок и травм в процессе труда; медицинские – для восполнения или восстановления утраченных функций опорно-двигательного аппарата человека; спортивные (тренировочные) – для улучшения физических показателей человека за счёт увеличения силы мышц и амплитуды движений, специальные – для снижения физических нагрузок, увеличения силы мышц и выносливости в экстремальных условиях, применяемые военными, спасателями, пожарными и др., а также экзоскелеты для выполнения различных видов работы в космосе и реабилитации космонавтов.

В зависимости от мобильности человека, применяющего экзоскелет, различают мобильные (позволяющие свободно передвигаться в пространстве) и фиксированные, прикреплённые к неподвижному устройству (создающие человеку необходимую позу), экзоскелеты. Фиксированные экзоскелеты получили свое распространение в основном в медицине.

По источнику энергии, используемому системой приводов, экзоскелеты подразделяются на пассивные, активные и полуактивные.

В пассивных экзоскелетах источником энергии является перераспределённая кинетическая энергия человека (мускульная сила), которая образуется при движении человека и накапливается за счёт использования эластичных материалов, пружин или амортизаторов, используется по мере необходимости для поддержания позы или облегчения движения.

В активных – источником энергии являются силовые приводы (чаще всего – электроприводы), преобразующие различные виды энергии (электрическую, пневматическую, гидравлическую) в механическую для снижения физических нагрузок на пользователя экзоскелета. Если силовой привод входит в состав конструкции экзоскелета и перемещается вместе с пользователем, то такой экзоскелет называют автономным. И неавтономным – когда силовой привод находится вне носимой конструкции. Конструкция активного экзоскелета может содержать электрогидравлические, электромеханические, электропневматические приводы и др. Также в конструкцию активного экзоскелета входит и система управления.

В полуактивных экзоскелетах для выполнения основных функций силовые приводы не используются, но в сочленениях каркаса экзоскелета могут быть установлены активные блокировочные механизмы. Например, при заблокированных упругих элементах руки пользователя совершают свободное движение, а при необходимости удерживать руки в поднятом положении разблокированные упругие элементы перераспределяют эту нагрузку на другие части тела.

Существенное значение для выбора экзоскелета имеет его вес; классификация конструкции экзоскелетов по весу: лёгкие – до 5 кг; средние – от 5 до 30 кг; тяжёлые – более 30 кг (Терминология и классификация экзоскелетов. 2015. С. 72).

Перспективы

Экзоскелет как носимое техническое устройство не только защищает человека и помогает выполнять ряд функций, но и создаёт определённые неудобства. Прежде всего это вес экзоскелета. Например, если экзоскелет «Экзар 2» имеет вес от 1 до 2 кг и может использоваться даже детьми, то активный экзоскелет нижних конечностей HAL, Hybrid Assistive Limb (Япония; Cyberdyne), весит 23 кг, а активный экзоскелет-костюм от НАСА X1 – 26 кг. Для наибольшего соответствия функциям скелета человека элементы экзоскелета должны обладать определёнными степенями свободы, что требует сложных систем привода и управления, а следовательно, увеличивает вес конструкции и её стоимость. Активные экзоскелеты зависят от внешних источников питания. При использовании экзоскелета возникают проблемы анатомической подгонки конструкции к конкретному человеку и др.

Перспективы в развитии экзоскелетов связаны с улучшением конструкции, при этом основной целью является сделать их не только функциональными, но и более удобными для человека. Для этого необходимо решить такие задачи, как снижение массы и габаритов устройства; улучшение эргономики и дизайна; повышение автономности и манёвренности; совершенствование системы управления и др.

Улучшение технических показателей экзоскелетов возможно за счёт повышения надёжности и прочности конструкции; снижения энергопотребления и повышения полезной мощности активных экзоскелетов; использования инновационных материалов и технологий и др.

Предшественники современных экзоскелетов

В природе у представителей некоторых видов живых организмов существует естественный экзоскелет – наружный скелет, который находится снаружи, поддерживает и защищает их тело. Такие естественные экзоскелеты характерны для беспозвоночных (ракообразные, моллюски, паукообразные и др.). Недостатком внешнего скелета является ограничение возможности роста живого организма, его подвижности.

В Средневековье по образу естественных панцирей у живых организмов для защиты тела воинов от ран во время битв применяли панцири-доспехи. В Уложении о службе царя Ивана IV Васильевича Грозного (1556) и ряде последующих документов прослеживаются элементы стандартизации защитного снаряжения русских воинов, где обязательным снаряжением были корпусные доспехи и шлемы, а необязательным – для защиты рук и ног. Однако в современном понимании такие виды защитного снаряжения не являются экзоскелетами, поскольку их основная функция – защита человека, а элементы, способствующие перераспределению нагрузки, увеличению амплитуды и изменению усилий выполняемого действия и др., отсутствуют или играют второстепенную роль.

Прототипом экзоскелетов считаются устройства, представленные в работах русского изобретателя Н. Ф. Ягна, который в 1889 г. предложил конструкцию аппарата для снижения усилий при ходьбе и беге («эластипед»). В 1889–1890 гг. ему был выдан ряд патентов на устройства для облегчения ходьбы, бега и прыжков. Устройство для ходьбы и бега (патент 406328, 1889) – этот аппарат является примером пассивного экзоскелета, управляемого человеком. Устройство для облегчения ходьбы, бега и прыжков (патент 440684, 1890) содержит в своей конструкции баллоны со сжатым газом и является прототипом активного экзоскелета.

Выпуск первых промышленных экзоскелетов связывают с проектом Hardiman американской компании General Electric (1965), где был разработан экзоскелет для усиления физической силы работников в промышленности за счёт использования гидравлических приводов. Это устройство получилось слишком громоздким, тяжёлым и неудобным для использования. С середины 2010-х гг. российские компании активно разрабатывают и производят промышленные и медицинские экзоскелеты.