Экзоскелет. История. 

Еще недавно «железный человек» был героем комиксов и фантастических боевиков. Сегодня, благодаря передовым технологиям в робототехнике, сверхспособности может приобрести любой из нас. Концепция увеличения человеческих возможностей перешла из мечты в реальность благодаря разработчикам экзоскелетов – устройств, предназначенных для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений. 

Первый экзоскелет был произведен совместными силами General Electric и ВС США в 60-х годах. Конструкция под названием Hardiman представляла собой станок с большим манипулятором, в который для управления вставлялась рука. 

Первый экзоскелет Hardiman

Манипулятор поднимал 110 кг с усилием, необходимым для 4,5 кг. Однако из-за большого собственного веса (680 кг) экзоскелет двигался неконтролируемо и не имел успеха. 
Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке, однако ее вес (750 кг) более чем в два раза превышал подъемную мощность (340 кг). Таким образом, практическое применение этой конструкции также было ограничено. 

Самой удачной разработкой стал экзоскелет ReWalk от компании ReWalk Robotics. Этот агрегат повторял биомеханику человека и позволил парализованным людям ходить. 
 

Классификация экзосклетов 

Современные экзоскелеты делают людей быстрее, сильнее и восприимчивее.  
По источнику энергии и принципу работы привода существуют пассивные и активные экзоскелеты. По точке приложения (локализации) выделяют скелеты верхних и нижних конечностей, а также цельные экзоскелеты-костюмы. 

Сами конструкции могут быть легкими (до 5 кг), средними (от 5 до 30 кг) и тяжелыми (более 30 кг). 

В зависимости от назначения производят военные, медицинские, промышленные, космические экзоскелеты. 
Главным направлением современных разработок является военное – экзоскелеты повышают мобильность выносливость пеших тактических подразделений за счет компенсации высокой физической нагрузки солдат. 
 
 
Военная модификация экзоскелета 
 

Экзоскелеты, интегрированные в военную экипировку, представляют собой многофункциональную систему: помимо основного предназначения, они выполняют функции электрогенератора, хранилища аккумуляторных батарей, каркаса для крепления модулей бронезащиты, средств телекоммуникаций, сенсоров и датчиков, систем передачи и приема радиосигналов. 

Некоторые модификации экзоскелетов используются в ходе спасательных операций, упрощая процесс разбора завалов рухнувших зданий. При этом конструкция защищает спасателя от падения обломков. 
В промышленности экзоскелеты применяются для подъема тяжестей, а также выполнения других сложных операций. 
 
Например, аппарат H-Lex от Hyundai позволяет человеку с легкостью поднимать до 60 кг, гибкий и подвижный экзостул Chairless Chair снимает напряжение в мышцах в случае необходимости длительного стояния или нахождения в полуприседе. Экзоскелет для грузчиков MAX SuitX дублирует опорно-двигательный аппарат человека, убирая с него часть нагрузки. Конструкция автоматически распознает момент начала работы и включается в нужное время. 

Медицинские экзоскелеты призваны помогать людям, которые с рождения не имели возможности ходить, потеряли ее после тяжелой травмы или в силу возраста. 

Одна из таких моделей производится компанией Honda в трех весовых категориях – малой, средней (2,8 кг) и большой. 

Очень популярны конструкции Hybrid Assistive Limb (HAL). Существует HAL для ног или для рук-ног-торса. Такой экзоскелет позволяет поднять груз, вес которого в 5 раз превышает возможности человека. Приводы этого устройства работают от импульсов мускул. HAL может использоваться для реабилитации инвалидов и пожилых людей, в ходе строительных и спасательных операций. 

В нашей стране разработкой медицинских экзоскелетов занимается команда ученых проекта ExoAtlet. Их изделия предназначены для реабилитации, социальной адаптации и интеграции людей с нарушением моторных функций нижних конечностей. 

Медицинский экзоскелет

Разработчики заявили, что их экзоскелеты подойдут для людей, перенесших травмы спинного мозга и инсульты. В настоящее время создано несколько действующих изделий. Последняя модификация, ExoAtlet Albert, управляется при помощи костылей, позволяя человеку самостоятельно ходить, садиться и вставать. 
 

С какими проблемами сталкиваются разработчики? 

В наше время основная преграда для начала производства полноценных экзоскелетов – отсутствие таких источников энергии, которые могли бы позволить машине работать автономно в течение длительного времени. 

Рабочие прототипы экзоскелетов уже построены, однако их широкое применение невозможно. К примеру, экзоскелет XOS от компании Sarcos был разработан по заказу армии США. Специалисты отмечают, что устройство спроектировано очень удачно, однако из-за отсутствия аккумуляторов достаточной емкости даже его демонстрацию пришлось проводить в режиме питания от сети. 

Не менее значимыми факторами, ограничивающими использование экзоскелетов, является их высокая стоимость и сложность обслуживания. 

Главная проблема состоит в том, чтобы на долгое время обеспечить отличное техническое состояние устройства, не нарушая гигиенических требований. Особенно это касается медицинских экзоскелетов.  
 

Решения MODENGY для экзоскелетов 

Конструкции для людей с ограниченной подвижностью должны быть максимально надежными, эргономичными и безопасными.   

Надежность функционирования экзоскелетов зависит от качества сборки, применяемых материалов и технологий. Большое внимание при конструировании уделяется тем узлам, которые испытывают большие нагрузки, подвержены трению и износу.  

В первую очередь, это регулирующие элементы экзоскелета. Прямоугольные металлические пластины перемещаются в специальных пазах корпуса скелета. В нужном положении они стягиваются сквозь отверстия шпильками. 

При работе экзоскелета между поверхностями пластин и корпуса неизбежно возникают микроперемещения. В результате регулирующие элементы начинают скрипеть, быстро изнашиваются и приходят в негодность.  
Для решения этой проблемы пластины обрабатывают специальным твердосмазочным покрытием. Оно наносится тонким слоем (не более 0.2-0.3 мм) и защищает контактирующие поверхности, не выдавливаясь под нагрузкой и выдерживая многократные регулировки. 

В России такие антифрикционные твердосмазочные покрытия (АТСП) выпускает компания «Моделирование и инжиниринг». При сборке экзоскелетов применяются АТСП MODENGY 1014 и MODENGY 1066. 

Оба покрытия в основе содержат дисульфид молибдена – вещество с высокой несущей способностью и низким коэффициентом трения. MODENGY 1014, помимо МоS2, включает политетрафторэтилен (ПТФЭ), а MODENGY 1066 – поляризованный графит. Твердые компоненты придают покрытиям износостойкость и обеспечивают длительный срок службы. 

Названные АТСП отверждаются при нагреве за 40 минут. После полной полимеризации материала на поверхностях регулировочных пластин образуется прочный и гладкий защитный слой. В отличие от обычных смазок, покрытие не пачкается и не оказывает токсичного воздействия на человека. 

Регулировочные пластины экзоскелета ДО и ПОСЛЕ обработки твердосмазочным покрытием MODENGY 1014 

Благодаря использованию АТСП при контакте регулирующих элементов с алюминиевым корпусом не возникает скрипа, коэффициент трения оказывается максимально низким, детали приобретают надежную антикоррозионную защиту. 

Таким образом, покрытия MODENGY решают одну из актуальных проблем разработчиков экзоскелетов, связанную с обслуживанием устройств. Они наносятся однократно и не требуют дальнейшего возобновления, что значительно упрощает сервис и повышает уровень комфорта носителя экзоскелета.