Разработка экзоскелетов
Когда подталкивать идущего?
Экзоскелеты пока не вошли широко в нашу жизнь, но их уже начинают понемногу применять в вооружённых силах, при погрузочно-разгрузочных работах, в реабилитационных центрах. Однако до полного «силового доспеха», до защищающей и поддерживающей всё тело «сервоброни», как у космодесанта в вымышленной вселенной Warhammer 40000 или у некоторых персонажей компьютерной игры Encased, нам ещё далеко. Многие современные модели экзоскелетов ограничиваются поддержкой, например, только ног, только рук, только позвоночника. Причём часто эта поддержка — пассивная, просто помогающая перераспределять разгрузку по телу.
Одна из важнейших проблем, стоящих на пути развития экзоскелетной отрасли, — питание: чтобы запасти количество энергии, достаточное для сколько-нибудь долгой работы «приличного» полного экзоскелета, который позволял бы относительно легко управляться с большими нагрузками, сегодня понадобились бы аккумуляторы такого размера и такой массы, что если повесить их на сам экзоскелет, он станет бесполезным. Для понимания: знаменитый робот-собака Spot весит 47,6 кг, из них 4,2 кг — масса аккумулятора, при этом полезная нагрузка, которую способен нести робот, — всего 14 кг, а максимальное время его работы — жалкие 90 минут. И это время работы без полезной нагрузки! С нагрузкой меньше. Но внутри робота нет живого человека, то есть, с одной стороны, не надо его поддерживать, с другой — у человека есть собственные скелет и мускулы, и, если совместить их пассивную поддержку, помогающую перераспределять нагрузку, с выборочной активной поддержкой только в те моменты, когда необходимо, это позволит уменьшить размер носимого аккумулятора. Помимо экономии энергии, у такой выборочной поддержки есть ещё один плюс: активное воздействие на скелетно-мускульный аппарат человека в моменты, когда это не нужно, а также не с той силой, какая нужна, и не в том направлении, будет скорее мешать, даже если его цель — помочь.
Конечно, разработчики экзоскелетов всё это прекрасно понимают, но вот вопрос: а в какие именно моменты каких действий нашему телу нужна поддержка? И тут всё не так просто. Например, недавнее исследование внешней помощи при ходьбе, статья о котором опубликована в марте в Science Robotics (Antonellis et al., Metabolically efficient walking assistance using optimized timed forces at the waist), показало не самые интуитивно ожидаемые результаты.
Исследователи из американских Национальных институтов здравоохранения (National Institutes of Health, NIH) и Университета Небраски в Омахе (University of Nebraska at Omaha) соорудили установку из беговой дорожки, роботизированного троса, способного тянуть идущего по дорожке вперёд за широкий пояс на талии, и множества датчиков. Целью исследования было — разобраться, в какие моменты лучше всего оказывать внешнюю помощь идущему, чтобы максимально снизить метаболические затраты его организма. И — внезапно — оказалось, что наилучший эффект достигается при воздействии в самой середине интервала двойной опоры.
Видео из пресс-релиза UNO Research Discovers Surprising Way to Make Walking Easier – ВМ.
«Когда мы ходим, есть короткий промежуток между шагами, когда одна нога прекращает движение вперед, в то время как другая готовится ускориться, чтобы сделать следующий шаг. Наше исследование показывает, что это короткое окно, когда обе ноги находятся на земле, — лучшее время для приложения силы, чтобы помочь ходьбе наиболее эффективно», — пояснил доктор Филипп Малкольм (Phillippe Malcolm), один из авторов исследования.
Любопытно, что результаты исследования противоречат помогающим стратегиям, инспирированным «здравым смыслом». Ведь кажется логичным помогать ноге в тот момент, когда она толкает тело вперёд. Авторы называют такие стратегии биоинспирированными, т.е. основанными на прямом обыденном наблюдении за природой.
«Хотя биоинспирированная помощь при движении и может давать определённые преимущества, наше исследование показывает, что эта стратегия — не обязательно наилучшая для снижения метаболических затрат или затрачиваемой энергии, — говорит Прокопиос Антонеллис (Prokopios Antonellis), первый автор исследования. — Это открытие подтверждает необходимость в большей степени обращать внимание на результаты биомеханического тестирования, а не пытаться предсказать оптимальные стратегии, просто наблюдая за природой».
Чтобы вам не показалось, что всё слишком просто, заметим, что в ситуации с ходьбой дело не только в том, чтобы тянуть идущего человека вперёд в моменты, когда обе его ноги касаются земли. Во-первых, важно очень точно рассчитать время воздействия, во-вторых — важна кривая силы, то есть то, как тянущий привод ускоряется и замедляется. И это ведь только ходьба и только один способ внешнего воздействия. Для создания же идеально сбалансированного активного экзоскелета необходимо подобным образом исследовать огромное множество возможных движений. Причём следует учитывать, что не всегда стратегия внешней помощи нашему телу должна исходить из задачи снижения метаболических затрат. Это может быть и снижение силы сжатия, действующей на позвоночник, и увеличение «грузоподъёмности», и обеспечение комфортного движения без ощущения «склеек» — моментов включения и выключения сервоприводов. Для обеспечения всего этого нужно ещё много исследований.
Результаты же упомянутого исследования могут быть применены не только в разработке экзоскелетов, но и в реабилитационной робототехнике — например, для облегчения тренировок пациентов, которые заново учатся ходить после различных обездвиживающих травм, операций и заболеваний.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru