В 30 минутах езды на автомобиле к юго-западу от Цюриха: на краю леса в маленьком спокойном городке Аффольтерн находится Детская реабилитация Швейцария. Современное бетонное здание. Снаружи дети и их родители проводят вторую половину дня на игровой площадке. Внутри профессор Хубертус ван Хедель и его команда работают над важной технической разработкой: экзоскелетом для рук.

Это "системы, повторяющие форму человеческого тела", - объясняет ван Хедел, - "и соединенные с рукой снаружи, как в нашем случае". Этот "внешний скелет" обеспечивает возможность выполнения определенных движений человеческой рукой.

Все, что угодно, только не футуристическое

Исследовательская группа Ван Хеделя разработала первый полностью моторизованный и портативный экзоскелет для рук: Откручивайте бутылки, нарезайте хлеб, подбирайте пуговицы с пола и держите игральные карты с помощью робототехники. Устройство специально разработано для детей и подростков с врожденными или приобретенными повреждениями мозга - это означает, что у них ограничены движения рук.

Pexo - как называется устройство, выглядит совсем не футуристично: верхняя часть каждого пальца состоит из трех тонких рессор, которые работают как сухожилия и соединены с мотором с помощью кабелей. Устройство активируется с помощью голосового управления или синей кнопки. Подвижные рессоры оказывают легкое давление на пальцы человека, и биологическая рука пациента закрывается или открывается. Электроника, моторы и батарея размещены в заднем модуле весом около двух килограммов.

Пексо, крокодил

Ярко-зеленый модуль для рук напоминает крокодила. Как объясняет Ян Диттли, инженер из ETH Zurich, дизайн призван удовлетворить потребности детей: "Мы разработали разные размеры, чтобы предложить детям в возрасте от пяти до 18 лет подходящий размер".

Но у экзоскелета все еще есть механические ограничения: Пальцами нельзя управлять по отдельности. Только большой палец и остальные четыре пальца вместе могут быть активированы по отдельности, чтобы открыть или закрыть руку. Игра на фортепиано: Невозможно. Но это единственный способ добиться низкого веса экзоскелета с инженерной точки зрения. Модуль руки весит около 120 грамм, что меньше, чем смартфон.

Начало исследований

Команда Ван Хеделя намеренно избегает сенсорных технологий или даже управления через связь с нервами или мозгом. Хотя с медицинской точки зрения это очень интересно, исследования все еще находятся в зачаточном состоянии. До сих пор терапевтические роботизированные устройства были очень громоздкими, тяжелыми и большими. С помощью Pexo дети и подростки могут легко отрабатывать движения с повседневными предметами и поднимать вещи весом до полукилограмма. Большая плитка шоколада - это не проблема, но полный пакет молока - это уже перебор.

Роботизированные экзоскелеты впервые были разработаны для военных в начале тысячелетия, а затем и для терапевтических целей. Уже существуют роботы-походки для пациентов с инсультом или параплегиков - например, для стояния, ходьбы или захвата.

Мощный костюм для индустрии

Ремесленные предприятия, автомобильная промышленность, поставщики логистических услуг и операторы медицинских учреждений также заинтересованы в экзоскелетах. Например, носимые роботы, которые берут на себя подъем грузов и при этом защищают позвоночник сотрудников. Силы, действующие на позвоночник, плечи и шею, поглощаются и перенаправляются экзоскелетом. Области применения? Везде, где выполняются физически тяжелые задачи. Например, когда ежедневно приходится поднимать несколько тонн запчастей, кузовов автомобилей, чемоданов или мешков с цементом, или когда приходится поднимать лежачих больных в медицинских учреждениях. Этот потенциал также был признан немецким производителем протезов Ottobock. В долгосрочной перспективе сегмент экзоскелетов рассматривается как более емкий рынок, чем протезирование, сказал недавно генеральный директор компании Ottobock Оливер Якоби в интервью изданию Frankfurter Allgemeine Zeitung. Он ожидает, что продажи в этом сегменте удвоятся только в этом году. 

Экзоскелеты можно разделить на два типа: Пассивные модели не имеют ни моторов, ни аккумуляторов. Они передают нагрузку на другие части тела пользователя с помощью пружин и шкивов.

В отличие от активных экзоскелетов, таких как экзоскелеты компании из Аугсбурга Немецкий бионикл. Компания производит различные силовые костюмы. Они оснащены двигателями, увеличивающими силу, и используются для подъема грузов. Например. Cray X: так называемый Силовой костюм Экзоскелет предназначен для улучшения физической работоспособности работников и специально разработан для использования в обрабатывающей промышленности для подъема и опускания грузов на паллетах или полках.

Экзоскелет помогает снизить нагрузку на верхнюю часть тела и тем самым предотвратить мышечную усталость и травмы. Он работает так же, как и ручной экзоскелет от Kinder-Reha Schweiz, и пристегивается с помощью ножных ремней и пояса на верхней части тела.

Огромный рынок

Cray X имеет модульную конструкцию, что означает, что экзоскелет может быть настроен в соответствии с областью применения и потребностями пользователя. Он также может быть оснащен различными датчиками и системами мониторинга для наблюдения за пользователем и его работой и сбора данных о производительности и нагрузке.

German Bionic - не единственная компания, экспериментирующая с экзоскелетами и предлагающая подобные устройства. Многочисленные стартапы также активно работают в этой области. По данным индийской аналитической компании MarketsandMarkets мировой рынок экзоскелетов будет постоянно расти и к 2025 году достигнет стоимости в 6,8 млрд. долларов США. По оценкам других исследовательских институтов, продажи промышленных экзоскелетов достигнут 20 миллиардов долларов США к 2030 году, по сравнению с 96 миллионами долларов США в 2016 году.

Профилактика здоровья и оценка рисков

Лабораторное исследование, проведенное Институтом материальных потоков и логистики Фраунгофера, показало, что использование экзоскелетов на производстве положительно влияет на производительность. Эффективность работы увеличилась на 25 процентов. Использование экзоскелетов позволило сотрудникам работать быстрее и дольше, не проявляя признаков усталости. Исследование проводилось в сотрудничестве с различными компаниями, которые уже используют экзоскелеты в своем производстве.

Исследователи также обнаружили, что благодаря использованию экзоскелетов у сотрудников было меньше заболеваний опорно-двигательного аппарата и напряжения. Использование экзоскелетов помогло снизить риск получения травм от повторяющихся нагрузок во время физически тяжелой работы.

Однако использование экзоскелетов в промышленности также подвергалось критике. Например, критикуется то, что экзоскелеты все еще довольно тяжелые и громоздкие и поэтому могут ограничивать мобильность сотрудников. Кроме того, некоторые экзоскелеты все еще довольно дороги, что затрудняет их использование в небольших компаниях. Кроме того, не хватает долгосрочных исследований, чтобы оценить последствия их использования в реальных промышленных условиях. К ним относятся возможные побочные эффекты, такие как потеря мышечной массы при использовании активных экзоскелетов или повышенная нагрузка на сердечно-сосудистую систему при использовании систем для работы над головой.

Вернемся в детский реабилитационный центр в Швейцарии. Ванда [настоящее имя известно редакторам] заходит в процедурный кабинет; она - одна из примерно 240 детей и подростков в год, которые проводят в реабилитационном центре несколько недель или даже месяцев, как эта 14-летняя девочка. Причина: они борются с последствиями травм спинного или головного мозга, например, после инсульта.

Трудоемкая терапия

Год назад Ванда также перенесла инсульт и больше не могла правильно двигать рукой, ногой и кистью с левой стороны; кроме того, у нее неоднократно возникали нарушения речи. Интенсивная реабилитация изменила ситуацию. Ванда снова бегло говорит, но ее рука все еще не хочет двигаться так же хорошо, как раньше.

Теперь ей приходится использовать руку-экзоскелет, чтобы взять маленькие строительные блоки из деревянной коробки и поместить их через перегородку во вторую коробку. То, что легко для других детей, трудно для Ванды.

С помощью голосового управления она дает команду закрыть руку, и вдруг моторы экзоскелета начинают тихо жужжать. Ее парализованные пальцы разгибаются, она берет маленький деревянный блок и кладет его в коробку напротив.

Фэнтези Звездные войны

Смогут ли когда-нибудь экзоскелеты рук приблизиться к функциям настоящих рук? Ответ Ван Хедела: Нет, человеческая рука слишком деликатна и сложна, чтобы ее можно было заменить искусственно, как роботизированную руку Люка Скайуокера. Это останется фантазией голливудской фабрики грез в стиле "Звездных войн".

Тем не менее, экзоскелет может быть полезен для некоторых детей с повреждениями мозга, резюмирует руководитель исследования. "С коммерческой точки зрения, это не очень большая целевая группа", - и добавляет: "Гуманность общества проявляется именно в том, как оно относится к своим самым слабым членам. Дети - это наше будущее!"

Источник: Экзоскелеты: как по волшебству | Экономика | DW | 07.04.2023