Table of Contents

Возникновение мягких роботизированных экзоскелетов

Мягкие роботизированные экзоскелеты представляют собой сдвиг парадигмы в носимых технологиях, отход от громоздких, жестких рамок к легким, гибким системам, которые работают в гармонии с человеческим телом. Эти устройства следующего поколения спроектированы для усиления человеческой силы, снижения усталости и повышения выносливости без ограничения естественного движения. В то время как обычные экзоскелеты полагаются на металлические рамы и жесткие суставы, мягкие варианты используют совместимые материалы и новые методы приведения в действие, чтобы обеспечить помощь, которая чувствует себя более органичной. В этой области наблюдается взрывной рост исследований и разработок за последнее десятилетие, с приложениями, охватывающими реабилитационную медицину, промышленную логистику, военные операции и даже помощь для стареющих популяций. Обещание устройства, которое может увеличить физические возможности, оставаясь достаточно удобным для повседневного ношения, привлекло внимание инженеров, клиницистов и оборонных организаций во всем мире.

Понимание мягких роботизированных экзоскелетов

В основе мягкие роботизированные экзоскелеты - это носимые системы, предназначенные для увеличения или помощи движению человека с помощью гибких деформируемых материалов. В отличие от своих жестких предшественников, эти устройства соответствуют естественным контурам тела и вмещают полный спектр движения человека. Они обычно изготавливаются из силиконовых эластомеров, тканого текстиля, полимеров с памятью формы и других гибких композитов, которые могут растягиваться, изгибаться и скручиваться вместе с пользователем. Механизмы приведения в действие существенно отличаются от традиционных электродвигателей и систем коробки передач. Большинство мягких экзоскелетов используют пневматические искусственные мышцы - часто называемые мышцами Маккиббена - которые сокращаются при давлении жидкости с воздухом или гидравлические системы, которые используют давление жидкости для генерации силы. Более поздние инновации включают системы, управляемые кабелем, маршрутизируемые через тканевые каналы и электроактивные полимеры, которые изменяют форму в ответ на электрическую стимуляцию.

Определяющей характеристикой этих устройств является их внутреннее соответствие. Там, где жесткие экзоскелеты передают силу через жесткие точки контакта, которые могут создавать концентрации давления и ограничивать движение, мягкие экзоскелеты распределяют силы по более крупным поверхностным областям и могут безопасно взаимодействовать с человеческим телом без риска защемления точек или ударных повреждений. Это соответствие также упрощает контроль, потому что система может безопасно работать в непосредственной близости от человеческих суставов, не требуя идеального кинематического выравнивания. Результатом является устройство, которое меньше похоже на машины и больше похоже на расширение собственного тела пользователя.

Основные технологии, ведущие развитие

Продвинутые мягкие материалы

Основу любого мягкого экзоскелета составляют материалы, из которых он изготовлен. Исследователи исследовали широкий спектр гибких полимеров, в том числе силиконовые каучуки, такие как Ecoflex и Dragon Skin, термопластичные полиуретаны и инженерные текстильные изделия с анизотропными свойствами жесткости. Эти материалы должны уравновешивать несколько конкурирующих требований: им нужна достаточная прочность для передачи вспомогательных сил, достаточная гибкость для предотвращения препятствования движению и достаточная долговечность для выдерживания повторных циклов нагрузки. Недавние разработки в волокнистых мягких композитах произвели материалы, которые одновременно очень совместимы в изгибе и жесткости в напряжении, близко имитируя механическое поведение биологических сухожилий и связок. Некоторые команды также изучают самозаживляющиеся полимеры, которые могут самостоятельно восстанавливать микроповреждения, потенциально продлевая срок службы этих носимых систем.

Актуальные технологии

Приводы, которые питают мягкие экзоскелеты, значительно развились из ранних пневматических прототипов. Пневматические искусственные мышцы остаются популярными из-за их высокого соотношения мощности к весу и естественного соответствия, но они требуют компрессоров или газовых резервуаров под давлением, которые могут быть громоздкими и тяжелыми. Гидравлические системы предлагают более высокую плотность силы, но вводят проблемы управления жидкостью. Приведение в действие с помощью кабеля появилось в качестве практического компромисса, используя небольшие электрические двигатели, установленные на расстоянии от сустава, чтобы тянуть натяжные кабели, направляемые через тканевые оболочки, подобно велосипедной тормозной системе. Этот подход позволяет тяжелым компонентам быть размещенными на раме рюкзака, в то время как кабельные пути остаются легкими и гибкими. Электроактивные полимеры и

Датчики для обнаружения намерений

Для того чтобы мягкий экзоскелет мог оказать существенную помощь, он должен точно определять, что владелец намеревается сделать, и реагировать в нужный момент с нужной силой. Это требует сложных сенсорных систем, которые могут одновременно измерять несколько физиологических и механических сигналов. Общие методы датчиков включают:

  • Электромиографические (ЭМГ) датчики , которые обнаруживают электрическую активность в мышцах для прогнозирования намерения движения до появления видимого движения
  • Инерциальные единицы измерения (IMU) , которые отслеживают ориентацию конечностей и ускорение для определения фазы походки и динамики движения
  • Силочувствительные резисторы и Датчики давления, встроенные в текстильный интерфейс для измерения сил реакции грунта и контактного давления
  • Растяжные датчики , основанные на емкостных или резистивных принципах, которые контролируют углы суставов и деформацию ткани
  • Ультразвуковые преобразователи , которые могут измерять изменения толщины мышц как показатель интенсивности сокращения

Алгоритмы управления и машинное обучение

Данные датчика, поступающие из мягкого экзоскелета, должны обрабатываться в режиме реального времени алгоритмами управления, которые могут различать преднамеренные движения и ложные сигналы, адаптироваться к различным пользователям и действиям и координировать несколько исполнительных механизмов одновременно. Ранние системы использовали простые пороговые триггеры, но современные реализации используют методы машинного обучения для распознавания шаблонов в потоках датчиков. Глубокие нейронные сети , обученные на больших наборах данных движения человека, могут классифицировать события походки, такие как удар каблука и отрыв пальца ноги с точностью до миллисекунды. Методы обучения усилению позволяют экзоскелету оптимизировать свою стратегию помощи с течением времени на основе обратной связи от пользователя и окружающей среды. Продвинутые контроллеры могут даже прогнозировать предстоящие движения на основе недавней истории, применяя помощь проактивно, а не реактивно. Эта прогностическая способность особенно ценна для приложений, таких как подъем по лестнице и перенос нагрузки, где сроки и величина необходимой помощи быстро меняются.

Сравнительные преимущества над жесткими экзоскелетами

Переход от жестких к мягким экзоскелетам обусловлен фундаментальными преимуществами, которые устраняют многие ограничения, которые предотвращают широкое внедрение носимой робототехники. Комфорт выделяется как наиболее значительный дифференциатор. Жесткие экзоскелеты создают жесткие точки крепления, которые могут вызывать синяки, потрескивания и язвы давления во время расширенного использования. Мягкие экзоскелеты распределяют силы по более крупным областям через совместимые интерфейсы, резко снижая локализованное давление. Кинематическая совместимость является еще одним критическим преимуществом. Жесткие экзоскелеты ограничивают совместное движение к фиксированным осям, которые редко идеально выравниваются с человеческими суставными центрами, создавая неудобные силы сдвига и ограниченное движение. Мягкие экзоскелеты приспосабливаются к естественной изменчивости человеческих суставов, включая перевод совместного центра во время вращения, позволяя более естественные модели движения.

Различия в весе и объёме существенны. Жесткий экзоскелет всего тела с двигателями, коробками передач и металлической рамой может весить от 30 до 50 килограммов, значительно увеличивая метаболическую стоимость ходьбы даже при немощности. Мягкие экзоскелеты обычно весят от одного до пяти килограммов, при этом масса распределяется по всему телу способами, которые существенно не увеличивают расход энергии. Доннинг и доффинг заметно легче с мягкими системами, которые можно надеть или снять за считанные секунды, очень похожими на одежду. Безопасность по своей сути улучшена, потому что мягкие экзоскелеты не могут создавать жесткие структуры, которые могут передавать чрезмерную силу, щипать кожу или препятствовать пользователю убегать в чрезвычайной ситуации.Соответствие мягких материалов означает, что система естественным образом уступает при столкновении с препятствиями или сопротивлением неожиданным

Акустическая подпись также актуальна для военных и профессиональных применений. Жесткие экзоскелеты с коробками передач и электродвигателями генерируют заметный шум, в то время как пневматические и кабельные мягкие системы работают почти бесшумно. Социальная приемлемость не следует недооценивать как фактор принятия. Мягкие экзоскелеты могут быть разработаны для ношения под одеждой или напоминать обычную одежду, уменьшая стигму и внимание, связанное с видимой вспомогательной технологией.

Ключевые домены приложений

Медицинская реабилитация и ассистивная помощь

Медицинский сектор представляет собой наиболее зрелую область применения мягких роботизированных экзоскелетов. Эти устройства используются в реабилитационных условиях для оказания помощи пациентам, восстанавливающимся после инсульта, травмы спинного мозга, ортопедической хирургии и неврологических состояний. Мягкие экзоскелеты могут оказывать целенаправленную помощь ослабленным конечностям во время переподготовки походки, помогая пациентам достигать более нормальных моделей ходьбы при одновременном снижении физической нагрузки на терапевтов. Легкий и совместимый характер этих устройств делает их особенно подходящими для педиатрических популяций и пациентов с хрупкой кожей или нарушенным ощущением. Разрабатываются мягкие экзоскелеты верхней конечности для оказания помощи в повседневной жизни, такой как кормление, уход и достижение, что позволяет обеспечить большую независимость для людей с мышечной дистрофией, рассеянным склерозом или возрастной саркопенией. Недавние клинические исследования показали, что мягкие экзоскелеты могут производить значительные улучшения в скорости ходьбы, расстоянии и симметрии для выживших после инсульта, с лучшим соблюдением требований пациентов, чем жесткие

Промышленные и профессиональные применения

Промышленные условия представляют собой сложные физические проблемы, которые способствуют связанным с работой скелетно-мышечным расстройствам и усталости рабочих. Мягкие роботизированные экзоскелеты развертываются в производстве, логистике, строительстве и складировании, чтобы уменьшить риск травм и продлить продуктивную рабочую жизнь сотрудников. Экзоскелеты обратной поддержки , которые помогают во время выполнения задач по подъему, показали наибольшую коммерческую тягу, с устройствами от таких компаний, как Laevo, Ekso Bionics и Ottobock, поступающих в производство. Экзоскелеты поддержки плеча , которые уменьшают усталость во время накладных работ, также получают распространение в автомобильной сборке и обслуживании самолетов. Эти промышленные мягкие экзоскелеты предназначены для ношения в течение рабочей смены без ущерба для мобильности или создания дискомфорта. Возврат инвестиций для работодателей включает снижение травматизма, снижение затрат на компенсацию работников и повышение производительности. Несколько крупных производителей автомобилей провели крупномасштабные пилотные программы и сообщили о

Военные и тактические операции

Оборонные организации во всем мире вложили значительные средства в технологию экзоскелета для повышения производительности солдат и снижения физической нагрузки на ношение тяжелой техники на большие расстояния. Мягкие экзоскелеты особенно привлекательны для военных применений, потому что они могут носиться под униформой, работать тихо и не вмешиваться в динамические движения, необходимые в боевых сценариях. Программа повышения квалификации солдат армии США и Агентство перспективных исследовательских проектов обороны (DARPA) профинансировали несколько инициатив по мягким экзоскелетам, направленных на снижение метаболических затрат на нагруженный марш, улучшение грузоподъемности и предотвращение травм нижних конечностей. Мягкие экзоскелеты лодыжки и бедра продемонстрировали снижение расходов метаболической энергии во время нагруженной ходьбы на 15-25%, что приводит к значительным улучшениям в выносливости и тактической мобильности.

Помощь стареющему населению

Демографические тенденции в развитых странах вызывают интерес к мягким экзоскелетам, которые могут помочь пожилым людям поддерживать мобильность, независимость и качество жизни. Возрастное снижение мышечной силы, баланса и выносливости может быть частично компенсировано легкими вспомогательными устройствами, которые обеспечивают скромное увеличение силы во время ходьбы, подъема по лестнице и стояния. Эти системы предназначены для неклинического использования, то есть они должны быть доступными, простыми в эксплуатации, эстетически приемлемыми и достаточно надежными для ежедневного использования без технической поддержки. Экзоскелеты Hip, которые обеспечивают помощь крутящего момента во время фазы походки, показали особое обещание для повышения скорости ходьбы и уверенности в пожилых людях. Задача создания устройств, которые являются эффективными и ненавязчивыми, остается значительной, но несколько исследовательских групп и стартапов продвигаются к коммерческим продуктам, нацеленным на потребительский рынок.

Современные ограничения и границы исследований

Мощность и плотность энергии

Несмотря на впечатляющий прогресс, мягкие экзоскелеты сталкиваются с постоянными ограничениями в мощности и хранении энергии. Пневматические системы требуют тяжелых воздушных резервуаров или компрессоров, которые отменяют некоторые преимущества веса. Системы на кабелях с батарейным питанием предлагают лучшую переносимость, но ограниченное время работы, как правило, от одного до четырех часов в зависимости от уровня помощи и интенсивности активности. Литий-полимерные батареи с высокой плотностью энергии улучшаются, но фундаментальная проблема хранения достаточной энергии для работы в течение всего дня в упаковке, которую можно удобно носить, остается нерешенной. Некоторые исследователи изучают подходы к сбору энергии, такие как регенеративное торможение во время фазы качения ходьбы, чтобы продлить срок службы батареи. Другие исследуют гибридные энергетические системы, которые объединяют батареи с небольшими двигателями внутреннего сгорания для экстремальной выносливости.

Долговечность и надежность

Мягкие материалы, которые удобны и совместимы, часто менее долговечны, чем жесткие альтернативы. Повторное сгибание, воздействие пота и загрязняющих веществ окружающей среды и концентрации высокого стресса в точках крепления могут привести к преждевременному отказу мягких компонентов экзоскелета. Пневматические пузыри уязвимы для проколов, системы, управляемые кабелем, испытывают износ и растягивающую усталость, а клейкие связи между несходными материалами имеют тенденцию к ухудшению с течением времени. Повышение долговечности мягких экзоскелетов до такой степени, что они экономически жизнеспособны для потребительских и промышленных применений, требует достижений в материаловедении, производственных процессах и методологиях проектирования. Арматура на основе волокнистых материалов и Модульные архитектуры компонентов , которые позволяют легко заменять изношенные детали, изучаются в качестве практических решений.

Управление персонализацией

Человеческое движение очень индивидуально, и алгоритм управления, который хорошо работает для одного человека, может чувствовать себя неестественным или обструктивным для другого. Персонализация параметров управления экзоскелетом в соответствии с предпочтительными моделями движения человека, размерами тела и уровнем ухудшения требует трудоемких процедур калибровки, которые не являются практичными в большинстве приложений. Подходы машинного обучения, которые могут адаптироваться онлайн во время нормального использования, находятся в активной разработке, но они поднимают вопросы о безопасности и надежности, когда система меняет свое поведение без явного человеческого надзора. Сделка между персонализацией и надежностью остается активной областью исследований, с такими методами, как рандомизация домена и ] мета-обучение исследуется для создания контроллеров, которые обобщают пользователей, все еще обеспечивая индивидуализированную выгоду.

Стоимость и доступность

Текущие мягкие экзоскелеты остаются дорогими из-за низких объемов производства, специализированных материалов и сложности интегрированных систем датчиков и управления. Цены на коммерческие системы варьируются от нескольких тысяч до десятков тысяч долларов, что делает их недоступными для многих потенциальных пользователей. Масштабирование производственных процессов, замена более дешевых материалов, где это возможно, и разработка более простых архитектур управления, которые снижают требования к датчикам, - все это стратегии, проводимые для снижения затрат. Возможность разработки мягких экзоскелетов с открытым исходным кодом, которые могут быть произведены с помощью методов аддитивного производства, может демократизировать доступ к этим технологиям, особенно для реабилитационных приложений в условиях с низкими ресурсами.

Новые тенденции и будущие направления

Интегрированные текстильные системы

Основной тенденцией в развитии мягкого экзоскелета является интеграция приведения в действие, зондирования и управления непосредственно в текстильные ткани. Умный текстиль со встроенными проводящими нитями, пьезоэлектрическими волокнами и гибкими цепями разрабатываются для создания экзоскелетов, которые по существу являются носимой одеждой без отдельных механических компонентов. Эти системы можно мыть, складывать и носить как обычную одежду, при этом обеспечивая сложное увеличение силы. Ранние прототипы демонстрируют возможность использования текстильных пневматических каналов, которые функционируют как искусственные мышцы при давлении, в сочетании с вышитыми электродами, которые обеспечивают EMG-чувствование без отдельных датчиков контакта с кожей. Этот подход обещает уменьшить вес, улучшить комфорт и упростить производство.

Многофункциональная помощь

Современные мягкие экзоскелеты обычно помогают отдельным суставам, таким как лодыжка или бедро, но движение человека включает скоординированное действие на несколько суставов и групп мышц. Многосуставные экзоскелеты , которые могут одновременно помогать нескольким суставам скоординированным образом, имеют потенциал для обеспечения более естественного и эффективного увеличения. Эти системы должны решать более сложные проблемы управления, чтобы гарантировать, что помощь в одном суставе не мешает движению в другом, но потенциальные преимущества с точки зрения метаболической эффективности и качества движения являются существенными. Несколько исследовательских групп продемонстрировали многосвязные мягкие экзоскелеты, которые снижают расход энергии во время ходьбы на 30 процентов или более, приближаясь к теоретическому максимуму для пассивно-упругой переработки энергии.

Мягкие экзоскелеты для увеличения конечностей

За пределами нижней части тела, мягкая технология экзоскелета адаптируется для увеличения рук и пальцев. Мягкие роботизированные перчатки могут обеспечить помощь схватывания для людей со слабостью рук, используя пневматические или приводимые в действие кабелем приводы, встроенные в структуру перчатки, чтобы увеличить сгибание и расширение пальцев. Эти устройства имеют приложения в реабилитации после инсульта или операции на руках, помощь для людей с артритом и эргономичную поддержку ручных рабочих, выполняющих повторяющиеся задачи. Задача приведения в действие нескольких пальцев независимо в ограниченном пространстве перчатки при сохранении ловкости и тактильной ощущения приводит к инновационным решениям в микроактуации и дизайне мягкого материала.

Траектория развития мягкого роботизированного экзоскелета указывает на устройства, которые становятся все более невидимыми для пользователя, смешиваясь с обычной одеждой и не требуя специальной подготовки или внимания для работы. По мере улучшения материалов алгоритмы управления становятся более адаптивными, а производство расширяется, эти системы имеют потенциал для фундаментального изменения того, как люди взаимодействуют с физической работой, старением и инвалидностью. Видение будущего, где носимые роботы так же незаметны, как очки или кроссовки, неуклонно приближается к реальности.