Экзоскелет

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.

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^[1], 1889) – этот аппарат является примером пассивного экзоскелета, управляемого человеком. Устройство для облегчения ходьбы, бега и прыжков (патент 440684^[2], 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.