Внешний скелет
Костюмы, создающие нагрузку на тело и снимающие ее, устроены по разному принципу. Во втором случае мы имеем дело с экзоскелетом. Экзоскелет — это устройство, состоящее из внешнего каркаса и приводящих элементов, которые можно запрограммировать на повторение движений человека. При этих словах воображение рисует гротескные конструкции вроде доспеха с сервоприводами, которые носят космодесантники из фантастических фильмов и книг, но реальные экзоскелеты выглядят намного скромнее.
Экзоскелеты бывают с активным и пассивным принципом работы. Активные модели используют в качестве источника энергии внешние устройства, тогда как механика пассивных экзоскелетов основана на использовании кинетической энергии и силы человека. Иначе говоря, пассивный экзоскелет движется только с помощью движений человека, помогая ему снижать нагрузку на конечности и позвоночник, а активный приводит в движение, как правило, аккумулятор.
Первую модель экзоскелета придумал российский изобретатель-самоучка Николай Ягн. Свое изобретение — «Аппарат для облегчения ходьбы, бега и прыжков» (эластипед) и несколько его модификаций — он запатентовал в США в 1889 и 1890 году. Конструкция аппарата была простой: стальной поршень и система пружин, прикрепленных к ноге у подошвы и на тазобедренном суставе (в модификациях — на поясе и на плечах). При сгибании ноги пружины сжимались, а затем распрямлялись, помогая ей оттолкнуться от земли. В одной из версий конструкция эластипеда включала в себя ранец с жидкостью под давлением, которая толкала поршни, а они придавали дополнительную силу ногам.
Николаю Ягну принадлежит множество интересных изобретений: «холодильные занавески» для кочегаров, установка для очистки воды, гидромотор, сушилка для овощей, опреснитель, солеварка и многое другое. Свой эластипед изобретатель хотел продать российскому Военному министерству, но командованию идея прыгающих солдат показалась нелепой, и от нее отказались.
В следующий раз экзоскелет создали уже в 60-х годах XX века в компании General Electric. Модель называлась Hardiman. Она оказалась ненадежной, работала недолго и весила слишком много. Тем не менее для военных эта конструкция оказалась слишком заманчивой, поэтому ученые разработки не бросали.
Сегодня один из самых известных экзоскелетов — HULC, созданный компанией Lockheed Martin (США). Он позволяет солдату быстро перемещаться с грузом по пересеченной местности, а также поднимать груз с земли. Масса устройства — 25 кг (Hardiman весил 680 кг), и большая ее часть приходится на батареи, заряда которых хватает на пару часов. Другая модель — XOS (компания Sarcos, США) имеет существенный недостаток — конструкция требует постоянной связи с источником энергии, а весит уже 70 килограмм. Оба экзоскелета призваны увеличивать силу рук и ног у здоровых людей. Есть у изобретения и российский аналог — пассивный экзоскелет К-2, предназначенный для нужд военных и МЧС.
Активные экзоскелеты призваны восполнять утраченные функции тела и чаще используются в медицине для реабилитации пациентов, которые не могут двигаться самостоятельно. Таких разработок довольно много: ReWalk, REX, HAL, eLEGS и другие модели. Нюансы их работы могут отличаться, но общий принцип примерно одинаков: датчики на теле улавливают естественные движения тела (например, в случае в ReWalk — наклон вперед) и передают сигнал в микрокомпьютер, который обрабатывает его и передает алгоритм движения в поддерживающие конечности приборы. Запитаны экзоскелеты, как правило, от аккумулятора, располагающегося на спине.
«Экзоатлет» — российский медицинский экзоскелет. Его идея появилась в МГУ в 2013 году, в 2014 году проект выиграл всероссийский конкурс стартапов Startup Village, и уже в 2016 году появился сертифицированный медицинский прибор. Экзоскелет создали за рекордные два года благодаря поддержке венчурных фондов «Сколково», РВК и АСИ. Для сравнения: разработки ReWalk шли с середины 1990-х, хотя и на рынок модель вышла раньше — в 2010—2011 годах.
«Экзоатлет» состоит из каркаса с шарнирными соединениями-суставами (коленный, голеностопный
Энергию костюм получает от аккумуляторной батареи, ее хватает на шесть часов непрерывной ходьбы, затем — четыре часа подзарядки. Вес всей конструкции — всего 20 килограммов. С ее помощью пациенты получают возможность вставать, садиться, ходить, подниматься и спускаться по лестницам без посторонней помощи. Однако для управления равновесием во время ходьбы нужны костыли и сильные руки, чтобы их держать, так что костюм подойдет только для пациентов с травмами нижних конечностей.
Иногда команды инженеров создают только отдельные части экзоскелетов. Такова, например, экспериментальная модель экзоскелета верхней конечности Exoskeleton Prototype 3, созданная в Калифорнийском университете. Принцип работы у нее такой: желание человека сместить куда-либо руку (плечо, кисть) машина обнаруживает благодаря неинвазивной поверхностной электромиографии — набору датчиков, снимающих биотоки, которые командуют мышцами. Естественную неуловимую глазом задержку между появлением первых миоэлектрических сигналов и фактическим началом движения той или иной мышцы компьютер использует, чтобы успеть вычислить предполагаемое смещение руки, применяя свою цифровую модель человеческой конечности (дополнительно задействуется обратная связь от датчиков фактической позиции и скорости частей машины). В результате приводы костюма-робота срабатывают синхронно с сокращениями мышц и «давят» в ту сторону, в какую носитель аппарата желает согнуть свою руку.
Однако система управления (биопорт) несовершенна. Чувствительный к миотокам костюм способен повышать силу мышц конечностей у людей, страдающих нейродегенеративными заболеваниями, но, по мнению авторов, данная система нуждается в дальнейшей доработке.
Тяжесть жизни
Идея не усилить свое тело, а ослабить, чтобы понять, что в таких условиях чувствует другой человек, относительно нова и востребована компаниями, разрабатывающими товары и услуги для пожилых людей или людей с ограниченными возможностями. История костюма GERT, ставшего популярным благодаря главе Сбербанка, весьма показательна.
GERT (GERontologic Test suit) создал промышленный дизайнер Вольфганг Молл. Еще во время учебы в университете он изучал эргономику и интересовался потребностями пожилых и немощных людей. После 10 лет работы дизайнером в автомобильной индустрии Молл в 2005 году основал собственную компанию Produkt + Project для разработки дизайнерских решений для пожилых. Так появилась идея специального костюма.
Молл разработал собственный костюм GERT, основываясь на показателях естественного старения: костюм имитирует помутнение хрусталика глаза, сужение поля зрения, потерю способности слышать более высокочастотные звуки (то есть женские и детские голоса), ограничение подвижности шеи и снижение координации движений. Правда, костюм не имитирует какой-то конкретный возраст, а прибавляет к возрасту надевшего 30—40 лет.
«Когда мы говорим о старении, нужно понимать, что этот процесс у всех протекает по-разному. Одному пожилому человеку нужна помощь при ходьбе, а другой может в том же возрасте бежать марафон. Реалистичная симуляция должна учитывать эти различия. Вот почему костюмы, использующие ремни, чтобы сковывать движения, нереалистичны — они не воспроизводят нагрузку на сердечно-сосудистую систему, которая возникает при физической активности, например при ходьбе по лестнице. Поэтому я использовал утяжелители, чтобы симулировать потерю мышечной массы, что гарантировало, что костюм имитирует те же биомеханические изменения, которые происходят в пожилом возрасте», — рассказывает Молл.
Изначально костюм появился как образец промышленного дизайна, а затем стал производиться по заказу медицинских вузов для подготовки врачей, изучения заболеваний и более эффективной диагностики. Костюм тестировали студенты Вюрцбургского университета в Германии, университета Корвина в Будапеште и сотрудники Сети по изучению старения Гейдельбергского университета. В 2013 году эти костюмы решил опробовать британский банк Barclays, а в России в 2016 году эксперимент повторил глава Сбербанка.
У GERT есть непрямой предшественник — костюм Age Explorer, у которого похожая история создания. Костюм разработали в Институте исследований возраста Мейера-Хентчеля в Германии, чтобы тестировать различные товары, созданные специально для пожилых, на предмет эргономичности и удобства.
Основатель университета — Гундольф Мейер-Хентчель, по официальной информации, еще в 80-х осознал, что общество переживает серьезные демографические изменения, в частности оно стареет, а значит, товары для пожилых людей будут все более востребованы. «Движимый идеей подхватить мегатренд старения населения, он основал свою консалтинговую компанию, цель которой — помогать другим компаниям в адаптации их услуг и сервисов под пользователей в возрасте», — говорится в официальных сообщениях. Так появился Age Explorer. В отличие от GERT он больше похож не на экзоскелет, а на скафандр. Интересно, что Вольфганг Молл отказался от идеи скафандра, так как предполагал, что его костюм GERT будут тестировать первые лица компаний, которые не захотят выглядеть в таком костюме нелепо.
Есть и другие аналоги «старящих костюмов», но обычно это довольно простые самодельные приспособления, скажем поцарапанные и смазанные вазелином очки для имитации плохого зрения.
Компания Мейера-Хентчеля известна и другими изобретениями. Для концерна Ford она создала костюм, имитирующий наркотическое и алкогольное опьянение. Они устроены по тому же принципу, что и костюмы для симуляции возраста, то есть состоят из затрудняющих движение бандажей, специальных очков (затрудняют зрение, ограничивают периферийное зрение, размывают картинку) и наушников, генерирующих случайные звуки для отвлечения внимания водителя. Также для демонстрации воздействия некоторых видов наркотических средств инженеры разработали специальное устройство, имитирующее тремор рук человека.
А 20 декабря объявили о выходе костюма, симулирующего похмельный синдром. Очки этого костюма сужают угол обзора, вызывают двоение в глазах и повышают чувствительность глаз к свету. Головная гарнитура в комплекте с очками и наушниками за счет специальных звуков имитирует пульсирующую головную боль. Наконец, утяжелители на лодыжках и щиколотках замедляют движения и нарушают координацию.
Эти костюмы — часть социальной программы Ford, в которой она хочет объяснить потребителям, как опасно садиться за руль не только пьяным, но и с похмелья.
Иная реальность
Наконец, метод электромиограммы — неинвазивного считывания электрических сигналов тела человека — сделал возможным создание отдельной категории костюмов — костюмов виртуальной реальности. Это уже не экзоскелет, а скорее экзонервная система, считает биолог Ольга Левицкая, создатель российского проекта Cyber Suit. Его конкурент — Tesla Suit — детище команды белорусских разработчиков и дизайнеров Tesla Studios (не имеющих отношения к компаниям Илона Маска).
Основа костюма — пояс T-Belt. Он считывает движения мускулов и способен стимулировать их, измерять температуру или посылать звуковые волны. Беспроводные перчатки T-Glove передают ощущения с помощью электрических импульсов, управляемых мини-компьютером. По замыслу разработчиков, пользователь сможет почувствовать теплый бриз или пулю, попавшую в персонажа. Костюм совместим с очками виртуальной и дополненной реальности Oculus Rift, META Space Glasses и Google Glass, а также с приставками PSP и Xbox, компьютерами и смартфонами. Первые модули Tesla Suit появились в 2015 году, а в 2016-м их презентовали в России.
Костюмы виртуальной реальности — пожалуй, один из самых интересных способов почувствовать себя по-другому. Тем не менее их разработки во всем мире пока находятся в начальной стадии.
Евгения Щербина
