- Екзокостюми з'явилися як м'який та гнучкий варіант еволюції жорстких екзоскелетів, прагнучи більшого комфорту та адаптації до людського тіла.
- Основна технічна проблема полягає в інтеграції легких виконавчих механізмів та датчиків у текстильні конструкції, забезпечуючи хороше кріплення та передачу зусилля.
- Педіатричний екзоскелет від Marsi Bionics є прикладом перенесення робототехніки в клініку, з маркуванням CE та міжнародною експансією.
- Майбутнє та сьогодення вказують на більшу адаптивність, використання в повсякденному житті та соціальну демістифікацію робототехніки як союзника в охороні здоров'я та наданні допомоги.
Екзокостюми та роботизовані екзоскелети вийшли за межі наукової фантастики та стали реальним інструментом у нейром'язовій реабілітації та допомозі рухам. В останні роки робототехніка покинула заводи та увійшла до лікарень та дослідницьких центрів, повністю змінивши наше розуміння відновлення мобільності та підтримки людей з порушеннями рухових функцій.
Коли ми говоримо про екзокостюми для реабілітації, випробувань та перших кроків , ми маємо на увазі не лише футуристичні машини, а й пристрої, які носять як одяг і повинні комфортно, безпечно та ефективно співіснувати з людським тілом. За кожним прототипом стоять роки роботи в галузі механіки, електроніки, м’яких матеріалів, правил охорони здоров’я та клінічних випробувань, і все ж ця технологія все ще вважається незрілою та стикається з багатьма викликами.
Від жорстких екзоскелетів до м'яких екзокостюмів
Реабілітаційна робототехніка еволюціонувала від важких, жорстких конструкцій до набагато легших та гнучкіших концепцій, які краще адаптуються до анатомії людини. Протягом двох десятиліть численні дослідницькі групи та компанії розробляли екзоскелети, спрямовані як на терапію, так і на функціональну компенсацію рухових порушень, вдаючись вивести деякі моделі на ринок, але ще не вирішуючи всіх питань щодо їхньої реальної клінічної корисності.
У випадку екзоскелетів, вимоги до дизайну диктуються безпосередньою взаємодією з людським тілом . Це не роботи, які працюють дистанційно, а радше носимі системи, що охоплюють кінцівки, і тому повинні розглядати людину та робота як єдине ціле. Такий цілісний погляд є ключем до розуміння проблем мехатронного проектування, сенсоризації та управління, які виникають, коли пристрій має рухатися в унісон з людиною.
Одним із фундаментальних завдань є забезпечення того, щоб механічна структура добре підходила користувачеві, не лише для ефективної передачі зусиль, необхідних для ходьби чи руху руки, але й для гарантування комфорту та безпеки. Саме тут на допомогу приходить кінематика: багато людських суглобів не мають фіксованої осі обертання, яку можна легко відтворити у стандартному роботизованому суглобі, що призводить до перекосів між віссю екзоскелета та віссю суглоба пацієнта.
Ці механічні перекоси призводять до втрат у передачі сили, дискомфорту, небажаних точок тиску та труднощів із дотриманням природних траєкторій руху. Крім того, кожне тіло унікальне: варіації довжини кісток, товщини тканин та деформації кісток або м’язів через патології ще більше ускладнюють адаптацію жорсткої структури до дуже різноманітної групи пацієнтів.
Тому адаптивність та простота використання стали центральними цілями. Ідея полягає у створенні «носного робота», якого можна легко налаштувати під різних пацієнтів та методи лікування, якого можна швидко одягнути під час клінічних сеансів, і який не вимагає відмінної фізичної форми, щоб витримувати вагу чи дискомфорт системи.
Що таке екзокостюм і чому він символізує зміну фокусу?
З огляду на обмеження традиційних екзоскелетів, з'явилися так звані екзокостюми , також відомі як активні костюми. Їхня філософія зрозуміла: максимально усунути жорсткі частини та замінити їх текстилем або м'якими матеріалами, які адаптуються до форми та природних рухів тіла, дотримуючись принципів м'якої робототехніки.
У цих екзоскелетах м’який біоміметичний дизайн прагне імітувати поведінку органічних тканин. Використовуються деформовані матеріали, які можуть розтягуватися, згинатися або скручуватися подібно до м’язів, сухожиль або шкіри, з метою переходу від громіздких, жорстких та громіздких пристроїв до легких, гнучких та зручних моторизованих рішень для щоденного клінічного використання.
На перший погляд, екзоскелет здається ідеальним рішенням для реабілітації : він сидить як одяг, важить мало та забезпечує більше свободи рухів, ніж жорстка конструкція, яка покриває всю ногу або тулуб. Однак досвід, отриманий у результаті кількох існуючих проектів реабілітаційних екзоскелетів, показує, що розробка справді ефективної системи набагато складніша, ніж здається.
В одному пристрої технічні труднощі м'якої робототехніки (нелінійна поведінка матеріалів, великі деформації, стабільність геометрії під навантаженням) збігаються з відомими проблемами екзоскелетів: як зробити взаємодію людини і робота максимально природною, як забезпечити хорошу клінічну зручність використання та як по-справжньому продемонструвати її терапевтичну цінність за допомогою переконливих наукових доказів.
Крім того, щоб екзоскелет був справді легким, гнучким і зручним, недостатньо, щоб «конструкція» була м’якою; датчики, виконавчі механізми та проводка також повинні бути інтегровані в це гнучке середовище без шкоди для мобільності. І саме тут виникають деякі з найбільших технологічних проблем сьогодення.
Приводи екзокостюмів: від класичних двигунів до сплавів з пам'яттю форми
Компонентом, який найбільше впливає на конструкцію екзоскелета, є виконавчий механізм , тобто елемент, який генерує рух або допоміжну силу. Традиційні технології, такі як електродвигуни постійного струму або пневматичні виконавчі механізми, забезпечують хороший контроль і зусилля, але їхня вага та розмір явно перешкоджають їх інтеграції в гнучкий одяг.
Досить поширеним рішенням було використання гнучких пневматичних приводів , які надуваються та здуваються для створення руху. Їхня головна перевага полягає в тому, що вони легкі та гнучкі за своєю природою, але для цього потрібні компресори або резервуари зі стисненим повітрям, що додає системі об'єму, шуму та логістичної складності, що не завжди добре підходить для клінічного середовища, де простота є ключовим фактором.
Інший широко використовуваний підхід передбачає тросові системи , що живляться електродвигунами. У цьому випадку екзоскелет містить троси або ремені, які передають енергію від «рюкзака» або корпусу, зазвичай розташованого на спині пацієнта, в якому знаходяться двигуни, батареї та електроніка. Цей пристрій може важити понад 3,5 кг, що вимагає від користувача відносно хорошої фізичної форми, щоб носити його без надмірного тягаря.
В останні роки сплави з пам'яттю форми (SMA) набули популярності як особливо цікава альтернатива для м'якої робототехніки та, зокрема, для екзокостюмів. Ці матеріали мають здатність змінювати форму при нагріванні та повертатися до початкової форми при охолодженні, що дозволяє створювати рух у дуже обмежених просторах.
СМА пропонують такі переваги, як високе співвідношення міцності до ваги , дуже малий об'єм і природна гнучкість, яка добре інтегрується з текстилем. Крім того, вони працюють безшумно, що є високоцінною особливістю в клінічних умовах, а їхня вартість може бути відносно низькою порівняно з іншими передовими системами. З усіх цих причин їх досліджують як ідеальних кандидатів на роль «штучних м'язів», інтегрованих у реабілітаційні екзоскелети.
Великий механічний виклик: закріплення на тілі та передача сил
Коли жорсткі компоненти виключаються та обирається текстильний дизайн, виникає ще одна ключова проблема: закріплення екзоскелета на тілі людини . У класичних екзоскелетах жорсткі стрижні та шарніри розподіляють силу відносно передбачуваним чином. Однак в екзоскелетах допомога забезпечується шляхом застосування сил тяги до тіла за допомогою ременів, стрічки та м’яких тканин.
Проблема полягає в тому, що гнучкість текстильного матеріалу призводить до втрати частини сили через деформацію самої тканини. Іншими словами, коли виконавчий механізм затягується, рухається не тільки суглоб пацієнта, але й розтягується технічний одяг, зміщуються точки опори, і виникають помилки положення, які важко моделювати математично, що значно ускладнює розробку алгоритмів керування.
Водночас екзоскелет повинен бути здатним передавати достатню силу для стабілізації або мобілізації кінцівок, або для збільшення силових можливостей користувача, який все ще зберігає певну рухливість. Це делікатний баланс між комфортом та ефективністю: надмірна жорсткість погіршує комфорт, а надмірна гнучкість робить допомогу неефективною.
Крім того, точки контакту людини та робота не можуть функціонувати як фіксовані кріплення до тіла; вони повинні забезпечувати певний природний рух шкіри та адаптуватися до змін постави, залишаючись достатньо твердими, щоб сила актуаторів досягала потрібного місця. Пошук матеріалів, пряжок, застібок та геометрії, що відповідають цим вимогам, є однією з найскладніших та найактивніших галузей досліджень.
Крім того, необхідно враховувати анатомічну мінливість пацієнтів : розробка дизайну для дитини з церебральним паралічем не те саме, що розробка дизайну для дорослого, який проходить реабілітацію після операції на коліні, або для літньої людини із саркопенією. Деформації, спастичність, контрактури або сколіоз значно впливають на те, де і як можна розмістити точки фіксації, не спричиняючи болю та не заважаючи терапії.
Текстильні датчики та керування рухами в режимі реального часу
Роботизовані реабілітаційні системи повинні постійно вимірювати те, що відбувається: кути суглобів, сили, моделі ходи , втому тощо. Традиційно використовувалися комерційні датчики положення (лінійні потенціометри, датчики Холла) та датчики сили, розташовані поблизу суглобів або на жорстких конструкціях робота.
У контексті екзоскелетів ці звичайні датчики створюють перешкоду, оскільки вони зазвичай жорсткі або напівжорсткі та потребують корпусів та опор, що суперечить філософії м’якого та гнучкого дизайну. Оскільки їх потрібно розміщувати поза межами суглоба пацієнта, вони збільшують об’єм системи, зменшують її компактність та створюють труднощі з інтеграцією тканин.
З цієї причини зростає інтерес до нових матеріалів із сенсорними можливостями , які можна вшити або вплітати безпосередньо в тканину екзоскелета. У цій галузі виділяються такі технології, як вуглецеві нановолокна, нейлонові нитки зі срібним покриттям і навіть нитки зі сплавів з пам'яттю форми; ці матеріали, окрім своїх сенсорних властивостей, також можуть «відчувати» відчуття.
Ці матеріали змінюють свої електричні властивості залежно від деформації або сили, яку вони витримують, що дозволяє використовувати їх як датчики положення або навантаження, інтегровані в сам одяг. Дослідження зосереджено на характеристиці їхньої електричної реакції, їхньої довговічності в складеному вигляді, пранні або під впливом поту та тертя, а також на тому, як інтегрувати їх у текстильний дизайн без шкоди для комфорту користувача.
Кінцева мета — мати повністю гнучку сенсорну систему , де куртка, штани або ремінь безпеки екзокостюма діють як «електронна шкіра», здатна в режимі реального часу повідомляти про те, що відбувається під час сеансу реабілітації, тим самим полегшуючи автоматичний контроль та прийняття рішень фізіотерапевтом.
Контроль, змінна допомога та моніторинг тренувань
Окрім апаратного забезпечення, ключем до хорошого екзоскелету є те, як контролюється допомога, яку він надає. Найсучасніші системи пропонують можливість змінювати рівень допомоги, що застосовується до кожного суглоба, в режимі реального часу, або автоматично, або через зручні інтерфейси для терапевта.
Деякі пристрої використовують планшети та голосове керування , щоб фізіотерапевт міг налаштовувати параметри, не перериваючи сеансу та не надмірно маніпулюючи роботом. Це спрощує клінічну роботу та дозволяє швидко адаптувати терапію, якщо стан пацієнта покращується, він втомлюється або відчуває неочікувані зміни під час тренування.
Ці екзоскелети зазвичай доповнюються настільним програмним забезпеченням , яке збирає всі дані, пов'язані з тренуванням, у режимі реального часу: тривалість сеансу, кількість кроків, рівні допомоги, моделі ходи, інциденти тощо, а в деяких випадках інтегрується з системами віртуальної реальності для реабілітації . Це надає фахівцю детальний запис, який можна проаналізувати для персоналізації реабілітації.
Ця інформація стає ключовим інструментом для адаптації сеансів до фактичних потреб кожної людини. Наприклад, інтенсивність можна поступово збільшувати, щоб стимулювати активне відновлення, уникнути перенапруження ослаблених пацієнтів або виявити, чи є плато в покращенні, яке вимагає перегляду терапевтичних цілей.
Дитячий екзоскелет Marsi Bionics: світова віха
Одним із найяскравіших прикладів перенесення робототехніки з лабораторії до лікарні є перший у світі педіатричний екзоскелет , розроблений в Іспанії інженером CSIC Оленою Гарсія Армада та представлений на ринку через компанію Marsi Bionics.
Цей пристрій являє собою моторизовану регульовану раму, підключену до акумулятора та мережі невеликих двигунів, датчиків і програмного забезпечення для керування. Він функціонує як набір механічних шарнірів, які вирівнюються з ногами та тулубом дітей, зазвичай віком від 3 до 10 років, посилюючи їхні плавні рухи та поступово адаптуючись до їхнього розвитку під час реабілітації.
Систему можна налаштувати на тіло дитини менш ніж за 8 хвилин , що є надзвичайно важливим у клінічних умовах з обмеженим часом та для пацієнтів, які можуть втомитися або відчувати тривогу, якщо процес налаштування відбувається занадто повільно. Після налаштування вона дозволяє дітям ходити під час сеансів нервово-м’язової реабілітації, що для багатьох сімей є радикальною зміною в їхньому повсякденному житті.
Цей педіатричний екзоскелет став історією успіху в трансфері технологій , перейшовши з відділу інтелектуальної робототехніки Центру автоматизації та робототехніки (CSIC-UPM), який має понад три десятиліття досвіду в сервісній та промисловій робототехніці, до провідних лікарень. Це досягнення призвело до того, що Гарсія Армада стала фіналістом премії «Європейський винахідник 2022 року» від Європейського патентного відомства.
Поворотний момент настав у 2009 році, коли сім'я з донькою Даніелою, яка страждає на параплегію, звернулася до дослідницької групи в пошуках рішення, якого ринок не пропонував: екзоскелети, спеціально розроблені для дітей. Хоча пристрої для дорослих з параплегією вже існували, компанії, з якими вони консультувалися, не розглядали можливість розробки педіатричних версій, що залишало величезну прогалину для особливо вразливої групи.
Від ідеї до маркування CE: регулювання та розширення позначень
З цього випадку дослідницька група вирішила переорієнтувати значну частину своєї роботи на екзоскелети, орієнтовані на сферу охорони здоров'я , зосереджені на біоміметичній дії: суглобові системи, здатні адаптуватися до складності неврологічних станів у дитинстві, де співіснують спастичність, м'язова слабкість, проблеми з координацією та деформації скелета.
У 2013 році було проведено перше випробування концепції з Даніелою, що ознаменувало початок тривалого процесу випробувань та вдосконалень. Відтоді докладаються постійні зусилля для розширення кількості станів, для яких екзоскелет корисний, завжди в рамках нормативно-правової бази для медичних виробів.
Ці пристрої регулюються суворими міжнародними правилами , за якими в Європі стежать такі органи, як Європейське агентство з лікарських засобів. Це означає, що їхня ефективність та безпека мають бути продемонстровані для кожного конкретного захворювання, як і для будь-яких інших ліків. Тільки таким чином можна поступово розширювати «показання до застосування», що містяться в офіційній документації.
У 2021 році було досягнуто вирішальної віхи: дитячий екзоскелет отримав маркування CE для клінічного використання при м’язовій атрофії та церебральному паралічі у дітей – двох групах патологій, які становлять понад 90% рухових порушень у дитинстві. Це дозволило регулярно використовувати пристрій у провідних центрах Іспанії.
Одночасно триває процес індустріалізації та масштабування технології . Спочатку розглядалася можливість ліцензування винаходу зовнішньому виробнику, але сам процес розробки показав, що компанія, заснована дослідником, Marsi Bionics, може безпосередньо займатися комерціалізацією та таким чином пришвидшити вихід продукту на ринок.
Клінічне розширення, дорослі та нові застосування
Патенти на ці розробки відіграли вирішальну роль у залученні інвестицій та наймі фахівців, необхідних для перетворення прототипів на повнофункціональні продукти. Завдяки цьому Marsi Bionics зросла приблизно до 25 співробітників, а її педіатричний екзоскелет для спінальної м'язової атрофії вже використовується в кількох провідних центрах Іспанії.
Очікується, що цей тип технології пошириться на інші країни , такі як Мексика, Італія, Велика Британія, Колумбія та Угорщина, розширюючи доступ до дітей, які раніше не мали доступу до цих передових роботизованих методів лікування.
Робота не обмежується педіатричною сферою. Також були розроблені пристрої для дорослих , наприклад, для реабілітації після операцій на коліні, які вже використовуються в лікарнях, пов'язаних з компаніями медичного страхування, такими як Sanitas. Водночас досліджується потенціал цих систем для лікування таких патологій, як інсульт та розсіяний склероз.
Загальна ідея полягає в тому, щоб вирішити якомога більше проблем з руховими розладами, використовуючи підхід, подібний до того, що використовується у дітей: систематична демонстрація корисності та безпеки, накопичення клінічних доказів та адаптація алгоритмів керування та механічних конструкцій до специфічних характеристик кожної патології.
Заглядаючи в майбутнє, одним з головних викликів є вихід цих пристроїв за межі суто лікарняних умов та їх інтеграція в повсякденне життя людей , як у контексті активного старіння, так і для допомоги у виконанні складних робочих завдань, зменшуючи м'язову втому та ризик травм у промисловості.
Хоча прогрес є вражаючим, відповідальні за ці розробки погоджуються, що багато чого ще попереду . Пріоритетом є досягнення максимальної адаптивності для широкого кола користувачів, від дітей з церебральним паралічем до людей похилого віку чи працівників, яким потрібна фізична підтримка для виконання своїх завдань.
Ще одним важливим завданням є забезпечення безперешкодної інтеграції цих екзоскелетів та екзокостюмів у неклінічні умови , переходячи з лікарні до дому, школи, робочого місця чи громади. Для досягнення цієї мети вони повинні бути зручними, інтуїтивно зрозумілими у використанні, відносно доступними та не вимагати постійного нагляду команди експертів.
Тим часом, робототехніка загалом стикається із завданнями, які здаються людям тривіальними, такими як миття посуду, чищення картоплі або застібання сорочки . Усе це пов'язано з дрібною моторикою, тактильним сприйняттям та сенсомоторною інтеграцією, які залишаються надзвичайно складними для машин, як і рівномірна ходьба або підтримка рівноваги на нерівній місцевості.
В інших сферах інтелекту, таких як кінестезія, інтуїція та емоційна регуляція , роботам також належить пройти довгий шлях. Це впливає на те, як ці технології сприймаються суспільством: між ентузіазмом щодо їхніх потенційних переваг та страхом, часто підживленим вигадкою, що вони обернуться проти нас або масово витіснить людей.
Щоб спростувати ці міфи, було опубліковано науково-популярні праці, такі як есе «Роботи та їхні можливості», які доступною мовою пояснюють, що таке робот насправді, як він працює та які його обмеження . Ідея полягає в тому, щоб зменшити ірраціональні страхи, дозволивши суспільству краще зрозуміти, як «думає» машина та чого ми можемо від неї очікувати в таких галузях, як робототехніка, цифровізація та штучний інтелект.
Дивлячись на прогрес, досягнутий у розробці жорстких та м’яких екзоскелетів, стає зрозуміло, що ця технологія готова покращити якість життя багатьох людей, особливо тих, хто через вік чи стан здоров’я не може отримати доступ до традиційної роботизованої терапії. На ранніх етапах реабілітації, у педіатрії або у складних випадках екзоскелети пропонують рівень комфорту та адаптивності, який іншим системам дуже важко досягти, і все вказує на те, що, оскільки сучасні технологічні виклики будуть подолані, вони стануть фундаментальним інструментом як для реабілітації, так і для щоденного догляду.
