Текст книги "Бионика. Прошлое, настоящее и будущее"

Основная цель этих исследований – создание безопасных автомобилей (сам робот EPORO – это модель: высота – 60 сантиметров, вес – 13 кг.).

Разработанные методы должны позволить роботам соответствовать «трём правилам поведения рыб2:

• изменять направление движения без столкновений с другими;

• 2путешествовать» бок о бок с остальными, сохраняя определённую дистанцию и скорость;

• уметь безопасно сближаться.

Реакция на появление препятствия робота EPORO. Внизу показаны варианты перегруппировки роботов на манер рыбьей стаи.

Пожалуй, также одним из первых реальных проектов, реализующих групповое поведение роботов, является MARS (Multiple Autonomous Robots). Начало работ, судя по публикациям, относится к 2000 г. В качестве основы выбрана четырехколесная гусеничная платформа Clodbuster.

Робот проекта MARS

Проект был посвящен отработке методов ориентации групп мобильных автономных роботов с использованием правил ближайшего соседства. В основу этих правил положена теория связанных систем. Суть метода заключается в том, что роботы определяют свои действия по действиям, выполняемым соседями. Например, если в такой группе есть ведущий, который движется по запланированной траектории, то все остальные роботы повторяют его движения.

На сегодняшний день групповая и в частности роевая роботехника находится на стадии первых рабочих прототипов. Это не муравьи, но уже координирующиеся между собой единицы. Можно с точностью сказать, что за такой роботехникой будет своя отрасль будущего. Например, автономные машины, а точнее автопилоты для них. Если присмотреться, то идеальнейшим применением роя будет координация машин в городах. Это настолько органичная для этой идеи задача, что более даже придумать сложно. Или же работа в полях. Очень иронично, что взятая за основу логика саранчи стала помогать нам в сельском хозяйстве.

Несмотря на все преимущества использования BEAM робототехники и аналогичной логики адаптивных систем она имеет огромное количество ограничений. Подобные роботы, по сути, являются скорее переходным звеном или же методом отработки решений, чем полноценными роботами или же какими-то организмами, но вариант дальнейшей эволюции есть.

Кибернетические организмы или просто киборги. Сколько про них уже написано, но ни слова о практике или каких-либо подробностей. Я думаю, все понимают, что киборгами называют системы, в которых есть и органические и электронные компоненты, при этом вся система работает как единое существо.

Начнем с того зачем такое существо нужно или же, если рассматривать это как робота, что оно может сделать? Начнем мы с рассмотрения подобных существ как машин или роботов. То есть мы рассмотрим киборга как робота, но с живыми компонентами.

Роботы представляют собой систему, состоящую из 2 частей – программного обеспечения и аппаратной оболочки. Мы рассматриваем не BEAM роботов, где нет программы, и вся реакция достигается рефлексами аппаратной части. Даже если робот представляет собой жёсткосвязанную телеуправляемую систему с ручным контролем для контроля и синхронизации приводов используется какое-то ПО. Аппаратная же часть состоит из каркасов, приводов, датчиков, систем питания и управления.

Робот четко и последовательно выполняет заложенные у него в программе алгоритмы. Но что если робот встает перед задачей, которую не предвидели разработчики ПО, но аппаратная часть позволяет её выполнить? Или же алгоритмы являются линейными, ограниченными и система не может предвидеть даже простейшие отхождения от начальных условий? Да, существуют программные нейросети, которым приписывают почти что волшебные свойства, но как мы можем увидеть это просто улучшение алгоритмов, а не изменение самой системы целеобразования.

Наиболее ярко эту проблему мы можем увидеть на примере самых успешных и распиаренных роботов от бостон динамикс. Десятки лет работы и мы можем похвастаться, что роботы могут…ходить. Даже такое просто действие как подъем простейшего предмета со стола, например, книги, если его координаты и параметры изначально не закодированы, представляет для робота сложнейшую задачу, которую он, как можно увидеть на многочисленных видеороликах, выполняет с огромным вычислительным, если можно так сказать про робота, превозмоганием.

И проблема тут не в аппаратных возможностях, а именно в ограниченности и адаптивности алгоритмов действия. Даже такое простое, с точки зрения развития когнитивных систем, существо как муравей, может без проблем взобраться на новую плоскость или же взять предмет и унести его в муравейник. И примеров таких тысячи.

Да, можно сказать, что роботы делаются под определенные задачи и их и шлифуют, а органика берет адаптивностью, поэтому у них такие возможности. И это так. И если вопрос именно в превосходстве целеобразования, а не количественных характеристик, то видно, что органика тут явно впереди.

Если бы могли использовать какие-то органические нейросети и органы восприятия, то такой робот мог бы сам простраивать и перестраивать алгоритмы действий и самообучаться. Такой робот не требовал бы даже обучение нейросети, не то что программирования! Скорее всего, нужна была бы какая-то дрессировка живого вычислительного ядра, или даже внешней стимуляции центра удовольствия мозга (или подобного нейроузла у более простых организмов) для мотивации выполнения нужных задач т. е. сконструировать для робота потребность выполнять свою цель и делать это качественно. Именно конструирование естественных нужд, по крайней мере, я так считаю, является идеальным мотиватором для подобных систем. Впервые идею о конструировании мотиваторов как мне известно, предложил Виктор Аргонов, ученый-философом трансгуманизма из Владивостока.

Это был бы качественный рывок в робототехнике и вообще в разработке любых автоматических систем.

Подведя итог этого рассмотрения, можно сказать, что робот с органическим центром принятия решений – это качественно новый робот, способный сам принимать решение в зависимости от обстоятельств или же строить алгоритмы действий.

Но рассмотрим это с другой стороны – не как робота с органическими компонентами, а как органическое существо с электронными компонентами и, возможно, внешней защитной оболочкой – экзоскелетом.

С этой точки зрения это выглядит как какое-то животное, закрытое в неком подобии не снимаемого и глубоко интегрированного, но модернизируемого экзоскелета.

Любые органические структуры очень хрупки и чаще всего не подлежат искусственному ремонту, но при этом могут, если повреждения не критичны и не смертельны, самовосстанавливаться. Время жизни органических структур также очень коррелирует с внешними условиями, то есть в более вредных условиях органика живет значительно меньше и развивается очень плохо. Несмотря на то, что органические приводы являются очень эффективной системой, они слабы и медлительны. Причина этого скорее в том, что, имея огромную и сильную мышечную систему у живого организма сильно возрастает энергопотребление и он просто не может поддерживать ее. Как показала эволюция огромные и сильные существа далеко не являются самыми эффективными биологическими системами и численность их не так уж и велика.

Но что же дает экзоскелет? Кроме очевиднейшей защиты от внешней опасности и усиления приводами это ещё дает некоторый суммарный, но обособленный эффект. Этот эффект продолжительности существования и назовем более принятым у трансгуманистов термином – РПЖ или же радикальное продление жизни. За счет чего же это достигается?

Рассмотрим схему идеального гибрида далее.

Рис. Блок-схема биоэлектронной системы

1. Система восприятия. 2. Инвазивнное соединение нерв-электрод.

3. Выходные нервы. 4. Нервная система органического ядра. 5. Органическое ядро.

Что дает такая компоновка?

Органическая часть закрыта оболочкой и её жизнедеятельность, в идеале – тепличные условия, поддерживаются с помощью внешних систем жизнеобеспечения. Органические приводы же заменены или усилены приводами механическими.

Микроконтроллер добавляет к абстрактным, но адаптивным свойствам органической нейросети четкий просчет выбранных действий. То есть, например, если человек будет делать какую-то совсем мелкую деятельность, например, собирать часы без пинцета, то у него могут дрожать руки – это шум и ошибки нервной системы. Если бы сигнал с нервной системы обрабатывался через электронные фильтры и микроконтроллеры и исполнялся каким-нибудь манипулятором на сверхточных сервоприводах, то, я думаю, очевидно, что не только не будет дрожания, но и точность вырастет на порядки.

Закрытая оболочка – защита от УФ и радиационного излучения. Радиация не бывает полезной. Никогда. Это автор, как человек, выучившийся на атомщика, может гарантировать. Или же от физического воздействия. Корреляция между физическим воздействием излучений и продолжительностью жизни прямая и она очевидна. Когда кого-то бьют, обычно это не идет никому на пользу.

Механические приводы – значительное уменьшение энергопотребления и износа внутренних органов. Меньше нужно напрягать мышцы – меньше и более равномерно работает сердце или подобный орган для перекачки жидкостей обеспечивающих жизнедеятельность. Кроме того, органические конечности играют роль своего рода радиатора и этим выполняют очень важную задача в теплообмене любого организма. При правильном проектировании возможно значительно улучшить газо-теплообмен со средой, например, используя не просто радиаторы, а тепловые элементы Пельтье.

Внешняя система жизнеобеспечения – срезает вероятность попадания в организм вредных веществ, вирусов, опасных микроорганизмов и более правильное снабжение веществами в зависимости от поставленной задачи. Например, введение стимулятора нервной системы для более длительной и эффективной работы.

Подведем итог этого рассмотрения можно сказать что живой организм, соединенный с неснимаемым экзоскелетом через нейроинтерфейс и обладающий системой жизнеобеспечения это потенциально более устойчивый и живучий организм, способный поддерживать жизнедеятельность более длительный промежуток времени и обладать более широкими возможностями к адаптации благодаря модернизации экзоскелета.

С теоретической частью, если это можно так назвать, мы разобрались, но как же это реализуется? Принятой и какой-то многократно проверенной технологии как таковой до сих пор нет, но я предложу описание своего эксперимента, к слову, единственного, на сколько мне известно, проведенного в России по киборгизации, так что это очень сырой и черновой опыт, но что было то было.

Целью эксперимента ставилась задача проверки теоретического концепта киборгизации и методов и технологий, которые были наработаны для этого. По завершению эксперимента планировалось получение прототипа киборга.

Итак, Внимание. Описание создания первого российского киборга.

Для опыта нужен какой-нибудь органический и живой объект, в моем случае это была крыса, роботизированное шасси, в моем случае это был шестиколесная платформа, подходящая для снятия нейротоков с мышц, и микроконтроллер для анализа и преобразования этих сигналов для управления роботом. Последние два элемента были объедены в один. Контроллером служил модуль ардуино. Его аналогово – цифровой преобразователь прекрасно справлялся с задачей.

Колесное же шасси выглядело вот так. На фото оно чуть разрушено, но суть я думаю ясна. Шасси имело 6 моторов которые вращали каждый свое колесо, что давало очень хорошую проходимость. Источником энергии будущего киборга служил литиевый аккумулятор. Он сверху.

Живым объектом служила самая обычная крыса. Крысы вообще очень хорошо подходят для экспериментов по бионике, так как у них очень хорошо исследованы внутренние органы и на них проверены многие необходимые лекарственные вещества, например, ледокаин, без которого операция была бы невозможна.

Кроме того, у крыс довольно высокий болевой порог и они имеют хороший иммунитет, что необходимо так как мы будет проводить инвазивные внедрение и несмотря на использование антибиотиков высока вероятность попадания вредных бактерий. Кроме того, не забываем про биосовместимость. Все же, несмотря на то, что у крысы прекрасные биологические свойства, процесс киборгизации без дополнительного воздействия медикаментов убьёт даже ее.

В качестве дополнительных медикаментов в подобном опыте нужны антибиотики, для уменьшения вероятности заражения занесении датчиков в тело, и анестетики или же проще обезболивающие. Они нужны, что бы у объекта не случилось болевого шока. В качестве первого вполне пойдут самые простые антибиотики, типа тетрациклина и пенициллина. С анестетиками сложней. Тут нужно не только провести локальное обезболивание, но и несколько замутнить сознание. Это осуществляется седативными препаратами. В случае с мышами и крысами это простой настой валерьяны. Для них это работает как очень сильный алкоголь.

Собственно, и начинаем мы, после того как все подготовим, к анестезии. Важнейшим момент тут является вес биологического образца, так как анестезия вычисляется исходя из нее. Анестезию проводим в 2 этапа. Сначала вводим в седативное состояние, а после проводим локальное замораживание ледокаином тех участков, которые мы будет удалять или же куда мы будем внедрять электроды для снятия нейросигналов.

Ледокаин действует от 30 минут и до 2 часов, так что на всю операцию у нас в среднем час. Другим важным момент является дезинфекция и обеззараживание датчиков и всего что у нас будет использоваться для внедрения.

Далее приступаем к самой операции. В моем случае было проведено удаление конечностей и на их место установлены системы съема нейросигналов с мышцы. Тут тоже есть особенность. Любые искусственные объекты, которые помещаются в органику должны иметь особое свойство – Биосовместимость. Биосовместимость – это способность материала не вызывать иммунную реакцию отторжения у живых систем.

Важно чтобы датчики, контакты и даже нити, которыми все это пришивается к органике, были биосовместимыми. Из самых распространённых материалов с таким свойством можно назвать – углерод, оксид титана, золото. В этом эксперименте использовались позолоченные датчики и сшивалось все угольной нитью. Такая комбинация не должна вызывать отторжения и кроме того углерод является токопроводящим веществом и позволял подключиться к нужным мышцам более эффективно, чем твердыми контактами.

После подключения к нужным участкам все оперируемые участки быстро зашиваются и герметизируются медицинским клеем. Далее подключаем датчики к системе снятия нейросигналов. А последним шагом идет установка живого объекта с уже подключенной электроникой на шасси в подготовленный там саркофаг или же можно сказать экзоскелет.

В конце у нас получилось что-то типа такого. Органическая часть закрыта в переднем «саркофаге» и наружу торчит только голова.

Работало оно так. Когда биологическая часть хотела двигаться в какую-то сторону она посылала сигнал через свою нервную систему в свои конечности. Этот сигнал снимали датчики, затем его анализировал нейроконтролером и передавал далее. Потом шёл анализ сигнала уже шасси, ведь нужно куда-то двигаться. Этот сигнал поступал в двигательный центр и уже он запускал нужные приводы. В итоге у нас нервный импульс, как будто идя от нервной системы живой части приходит в моторы, пройдя многие каскады усиления. Получился как будто протез всё двигательной системы.

К слову в разделе будущее будет подробней рассмотрена киборгизация и в частности, что есть. Одним из самых интересных опытов в этом направлении является робот или даже верней киборг Гордон.

Это механический колесный робот или скорее колесное шасси и органический вычислительный центр из живых нервных клеток. И работало это превосходно, но не буду опережать событие. О Гордоне и других киборгах будет в главе Киборгизация.

Глава 3. Экзоскелеты

Аватар, железный человек, бросок кобры – что же общего у этих фильмов? Благодаря этим фильмам, впрочем, как и многим другим, люди смогли впервые узнать о технологии экзоскелетов.

Так что же такое экзоскелеты? Экзоскелет это бионическая система и, следовательно, ее прототип или идея должна быть где-то в живой природе.

Экзоскелетом или же внешним скелетом в биологии называют систему из твердых образований, которые покрывают живое существо и являются первой преградой от вредных внешних факторов, например, хищников или бактерий.

Экзоскелеты появились примерно 500 млн лет назад и с их появлением связана так называемая в биологии скелетная революция. Именно в результате неё появились скелеты и это сыграло очень важную роль в дальнейшей эволюции всех живых существ. Экзоскелеты в живой природе чаще всего встречаются у беспозвоночных животных – для моллюсков это раковины, а для насекомых это разные вариации хитиновых панцирей. Так же, как и к обычному скелету к экзоскелету крепятся мускулы, но уже с внутренней стороны.

С технической точки зрения экзоскелет является системой, состоящей из эргономичного каркаса с разнообразными приводами, системы управления и источника энергии. Экзоскелет также позволяет дать человеку дополнительную защиту от внешних факторов или же служить дублирующей опорно-двигательной системой. Определение короткое, но она отражает всю суть этих машин.

Сама идея защищать тело какой-то внешней броней очень древняя и, наверно, уже сейчас не определить, кто и когда до этого дошел, но вот использование подобных систем для расширения каких-то физических возможностей появилось не так давно. Обычно принято считать, что первый экзоскелет был разработан General Electric в 60-х и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъеме 4,5 кг. Это был огромный гидравлический погрузчик. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 700 кг. Проект был закрыт из-за очевидного провала. Далее были многие попытки улучшить технологию, но все было неудачно, пока не были достаточно развиты электроника и вычислительная техника.

Но Hardiman не является первым. Многие фантасты тех времен упомянули подобные системы в своих романах. Одним из первых был Иван Антонович Ефремов. В его романе «Туманность Андромеды», вышедшем в 1957 году, описано применение экзоскелетов во время космических полётов:

«В шлюзовой камере у выхода были заранее приготовлены биологические скафандры и «прыгающие скелеты» – стальные, обшитые кожей каркасы с электродвигателем, пружинами и амортизаторами для индивидуального передвижения при увеличенной силе тяжести, которые надевались поверх скафандров».

Несмотря на отсутствие технологий, описание было вполне точным.

Самым первым известным мне упоминанием и разработкой экзоскелетоподобной системой является ЭЛАСТИПЕД Русского изобретателя Николая Янга. Этот изобретатель полностью предан забвению и упоминание о его разработке найти довольно сложно.

Небольшая справка:

Ягн Николай Александрович – гениальный изобретатель-самоучка. Годы жизни 1849–1905. Сведения о нём довольно скупы. Каких-либо данных по месту рождения и детству нет. Известно лишь, что он из чешских немцев, но гражданин Российской Империи, 3 года учился в Петровско-Разумовской земледельческой академии. Первые свои изобретения сделал уже в 20 лет. Это был гигрометр и пульсирующий насос, за которые он получил диплом инженера-механика. В своих дальнейших изобретениях, работая на чугунно-литейном заводе в Симбирской губернии, Ягн применял свои технические познания и стремился облегчить и обезопасить труд рабочего. Во время русско-японской войны морское ведомство предложило русским изобретателям выработать тип подводной лодки. Ягн составил проект подводной лодки совершенно новой системы. И наконец, он бесспорный изобретатель прообраза нынешнего экзоскелета – эластипеда (приспособления для облегчения ходьбы, который конструировался в первую очередь для солдат).

Николай Ягн в конце 19-го века разработал несколько образцов эластипедов, которые предназначались для облегчения ходьбы, бега и прыжков, главным образом солдат. Но дальнейшего развития его идеи в то время не получили. Сейчас похожую технологию используют при изготовлении джамперов – тренажеров, позволяющих прыгать на большую высоту. Сейчас мы эластипеды Н. Ягна однозначно классифицировали бы как пассивные экзоскелеты. «Эластипед» представлял собой систему пружин, которые закреплялись на теле человека. Они должны были усиливать прыжки и движения человека при движении вверх – например, при подъеме на лестнице. На этот экзоскелет был выдан патент – № 420.178, так что каждый может теперь узнать, что это и кому принадлежит авторство.

Создание экзоскелетов приемлемой величины и веса стало возможным только в последние 20 лет. Это связано с появлением достаточно маленьких и мощных сервоприводов и более совершенной электроники. Но это если идти по пути электроники. При использовании других путей экзоскелеты можно было начать делать уже 60–70 лет назад. Например, используя пневматику, которая доступна уже более ста лет или же другие компоновки гидравлики.

Экзоскелеты даже сейчас пока на стадии прототипов или же чего-то очень раннего, но всё же уже есть. Их производят в Японии, США, Франции и Израиле. В России же эта тема пока малоразвита и в 90 % случаев развитие этой темы у нас – это труд энтузиастов. Как это ни парадоксально у нас одна из самых новых технологий сразу «ушла в народ» и им же разрабатывается. Про эту и другие особенности экзоскелетных технологий будет рассказано чуть позже, а пока я хотел бы рассказать какие бывают экзоскелеты на данный момент, предложить их классификацию, так сказать. Все эти критерии выработаны эмпирически на основании наблюдений и собственных работ автора и не претендуют на стопроцентную истину.

Робототехнические экзоскелеты некоторые зарубежные специалисты классифицируют по шести основным категориям:

1) костюмы для усиления всего тела человека (Full Body Powered Suits);

2) устройства для содействия функционированию конечностей (Limb Assistance Suits);

3) устройства поддержки спины (Back Support Suits);

4) дополнительные робототехнические руки (Supernumerary Robotic Arms);

5) экзоскелеты для удержания инструментов и работы с ними (Tool Holding Exoskeletons).

Но я же сторонник того, что экзоскелеты вне зависимости от страны-производителя можно классифицировать по нескольким критериям: принцип действия, топология, назначение, а не только по типу.

Начнем с последнего критерия – назначение. Основные реальные и потенциальные сферы применения экзоскелетов по всему миру это медицина, военно-промышленный сектор, транспортировка грузов и сельское хозяйство. К основным можно также отнести направление по чрезвычайным ситуациям, например, разбор завалов при каких-то техногенных катастрофах, когда крупногабаритная техника не может подъехать или же ее присутствие опасно. Также ведутся разработки по родственным направлениям – туризм и экспедиции для, например, переноса аппаратуры и рюкзаков на длительные расстояния с преодолением подъемов и спусков.

Есть и другие сферы применения, такие как индустрия развлечений. Это разнообразные игровые автоматы и игровые контроллеры технологией виртуальной реальности полного погружения, подводные применения, например, усовершенствованные акваланги и различные аппараты для глубоководного погружения с тяжелым технологичным оборудованием.

На сегодняшний день 60 % всех разработок в области построения экзоскелетов – это военное использование. Тем не менее, наиболее привлекательная сфера с точки зрения коммерциализации – медицинское направление и оно развивается значительно более активно.

Итак, одной из модификаций является медицинская. Применяются такие экзоскелеты людьми с ограниченными физическими возможностями, а именно инвалидами или пациентами с парализованными или поврежденными нижними конечностями для самостоятельного перемещения или адаптации. Кроме того, данная модель экзоскелета может применяться и при восстановлении человека после травмы, а также в случаях с центральным параличом, обусловленным церебральным инсультом и спинальной травмой, ДЦП.

В той сфере, особенно в области реабилитации больных, экзоскелеты в состоянии дать большое количество возможностей тем людям, которые сейчас передвигаются при помощи инвалидного кресла, так как человек, ограниченный в своих физических возможностях, получает шанс начать самостоятельно передвигаться, а это очень важный фактор. В настоящий момент можно выделить два вида медицинских экзоскелетов, назовем их «А-Экзоскелет» и «Б-Экзоскелет».

Первый вариант – «А-Экзоскелет». Это облегчённый экзоскелет для задач реабилитации клиентов клиник, у которых был поврежден опорно-двигательный аппарат. Он может применяться для облегчения ходьбы людей, например, с травмами ног, тазобедренного сустава. Для работы данной модели необходимо частичная работоспособность ног и спины. Управление с помощью наклона тела и вспомогательных костылей, которые снимают часть нагрузки на конструкцию экзоскелета и уменьшают его габариты и вес, делают конструкцию более простой, надежной и дешевой. Для эксплуатации данной модели не требуется обучения или какие-то специфичные навыки в использовании. Данный вариант возможно использовать как спортивно-оздоровительный тренажер.

Представителями данной модели можно считать существующие зарубежные – израильский ReWalk или японский HULC.

На примере “А-Экзоскелетов” можно увидеть основные узлы и принципиальные схемы построения самых распространённых медицинских экзоскелетов. Они, как можно заметить, примерно одинаковы.

Второй вариант – «Б-Экзоскелет». Это полноценно реабилитирующий медицинский экзоскелет с ручным управлением. Данный экзоскелет используется для восстановления после любых травм опорно-двигательного аппарата, кроме, конечно же, потери конечностей. Работа этого типа медицинского экзоскелета возможна даже с пациентами, у которых полностью парализованы нижние конечности. Также его можно перестроить и использовать как тренажер для стимуляции конечностей больных с ДЦП.

Скелет такого типа включает в себя усиливающую конструкцию нижних конечностей человека, поддерживающий корсет-позвоночник и джойстики для управления, обычно выведенные из нижних конечностей. Вся энергетическая и электронная начинка находится в самих ногах экзоскелета, в отличии от «А-Экзоскелетов» где это обычно располагается в области спины дабы облегчить ноги. Такой вариант значительно тяжелее предыдущего, т. к. не включает в себя вспомогательные костыли и должен нести вес человека, что накладывает дополнительные требования к конструкции и приводам. Приводы этой модели очень сильны в отличии от модели «А» и не требуют вообще никакой внешней помощи.

Управление осуществляется с помощью джойстиков, установленных на нижних конечностях экзоскелета. Сигналы от них обрабатываться с помощью системы управления, включающей себя микрокомпьютер для вычисления нужных углов и нужного хода, и передаются на сервоприводы в коленях и бедрах. Также иногда используется голосовое управление.

В настоящее время все развитие экзоскелетов медицинского направления идет по пути миниатюризации компонентов и увеличения времени работы источника энергии. Также ведутся эксперименты по внедрению и использованию биоэлектрическому управлению.

Разработчики медицинских экзоскелетов столкнулись со следующим рядом научно-технических проблем:

• Тяжесть конструкционных материалов: скелет должен быть сделан из прочного, легковесного и гибкого материала. По всей видимости, медицинские экзоскелеты будущего будут делаться из композитных материалов с нужными свойствами, так как только композиты отвечают критерию легкости и прочности.

• Несовершенство источников питания: экзоскелет должен работать как минимум 8 часов без дозаправки, в систему должен входить надежный и безопасный блок питания.

Общей тенденцией всех современных медицинских, да и наверно всех остальных тоже, экзоскелетов является использование литиевых аккумуляторных батарей в качестве источника энергии. Литиевые аккумуляторы имеют самые лучшие характеристики по сравнению с другими химическими источниками тока, уступая в эффективности только топливным элементам. Но они очень сложны в изготовлении и дороги по сравнению с другими типами химическими источниками тока. При этом любое устройство в состав которого входит литий, является крайне взрывоопасным и токсичным.

Литий в контакте с водой, даже содержащейся в воздухе, начинает образовывать оксид и гидроксид лития, выделяя при этом водород в экзотермической реакции. Водород при том является крайне активным элементом. В контакте с кислородом образуется гремучий газ, который может взорваться без открытого огня и источника тепла. Кроме того, в литиевых батареях используется щелочь в качестве электролита. Соответственно, поврежденная батарея будет течь едкой щелочью, которая может прожечь корпус экзоскелета, нанести ожоги человеку и урон электрике. Как решить проблему безопасного и мощного источника энергии пока не понятно.

• Отсутствие подходящего исполнительного механизмы: бесшумный, но при этом мощный и обладающий малыми массогабаритными свойствами двигатель это одна из наиболее сложных задач, так как пилоты экзоскелета не должны постоянно находиться в шумовом поле используемого аппарата или же чтобы приводы были тяжелее, чем сам пилот.

• Несовершенство управления: средства управления системой должны быть максимально удобны и надежны, чтобы пользователь мог свободно функционировать.

Пользователь должен иметь возможность плавных и бесшумных движений во всех направлениях и совершать максимально возможное для человека количество маневров, например, подъем по лестнице или же сидение на стуле, а системы управления, используемые в данный момент, максимум что позволяют, так это просто идти вперед или же остановиться.

• Недоработанная биомеханика: медицинские экзоскелеты должны иметь такие сочленения и суставы, которые будут похожи на человеческие, так как пользователь не должен быть ограничен в движениях. Сейчас же это не совсем так и экзоскелеты больше похожи на механизированные костыли, чем на продолжения человека.

На данный момент компании, занимающиеся экзоскелетными технологиями, отработали уже ставшую, можно сказать, стандартной схему реабилитационного экзоскелета. Большинство существующих экзоскелетов построены именно по ней. Есть исключения, например Rex, но это единичный случай. Данная стандартизация происходит неспроста. Относительная новизна данной технологии требует поиска оптимальной схемы. Неудивительно, что не связанные между собой коллективы нашли этот оптимум.