Может ли однажды решить проблемы с мобильностью так же просто, как натянуть штаны? Исследовательская группа во главе с профессором Бристольского университета Джонатаном Росситером недавно представила прототип пары брюк-роботов, которые, как они надеются, могут помочь некоторым инвалидам ходить без посторонней помощи.
Как инженер, который исследует способы помочь людям с травмами спинного мозга снова двигать конечностями, я прекрасно осознаю, как потеря подвижности может повлиять на качество жизни человека и как может помочь восстановление этого движения. Принимая во внимание ошеломляющее количество людей с ограниченными возможностями (более 6, 5 миллионов человек с проблемами с мобильностью в одной только Великобритании) и наше стареющее население, устройства, которые улучшают мобильность, могут помочь большому сегменту населения.
Тем не менее, несмотря на 50 лет исследований, этот вид технологий редко применялся за пределами лаборатории. Так идет ли разработка роботизированных брюк по курсу, чтобы, наконец, перенести технологию рабочей мобильности в дом?
В отличие от жесткого роботизированного устройства в анимационном фильме Уоллеса и Громита «Неправильные штаны», в новых так называемых «правильных штанах» используются мягкие искусственные мышцы для создания движения, а также использования реальных мышц владельца. Они имитируют человеческие мускулы в создании силы, просто становясь короче и тянущие за оба конца.
Объединяя несколько искусственных мышц вместе, вспомогательные брюки могут двигать суставом, таким как колено, и помогать пользователю в таких движениях, как вставание со стула. Поскольку искусственные мышцы эластичны и мягки, они более безопасны, чем традиционные двигатели, используемые в жестких роботизированных экзоскелетах, которые хотя и мощные, но жесткие и неудобные.
Исследователи выдвинули несколько разных идей о том, как сократить искусственные мышцы и создать движение. Один дизайн адаптирует концепцию воздушных мышц, которые представляют собой воздушные шары, которые расширяются вбок и укорачиваются по мере наполнения воздухом.
Другая предложенная конструкция использует электричество для укорочения искусственной мышцы, сделанной из геля, помещенного между двумя медными пластинами. Гель притягивается к областям высокого электрического напряжения. Таким образом, создание двух разных напряжений на пластинах заставляет гель сжиматься вокруг одного из них, сближая их и сокращая мышцу.
Еще одна технология, встроенная в вспомогательные брюки, - это функциональная электростимуляция (FES). Электроды, вплетенные в брюки, стратегически расположенные над мышцами, могут отправлять специально разработанные электрические импульсы в тело, чтобы перехватить канал связи между мозгом и мышцами и напрямую заставить мышцы сокращаться. Используя существующие мышцы и обходя мозг, вспомогательные брюки могут даже командовать мышцами, которые владельцы могут испытывать с трудностями самостоятельно (например, из-за удара).
Брюки могут также помочь пользователям, которые борются за стойку в течение любого отрезка времени, благодаря специально изготовленным пластиковым скобам на коленях, которые напрягаются при охлаждении. Контроль температуры брекетов позволяет колену двигаться или фиксироваться в положении, чтобы поддерживать положение без особых усилий, необходимых мышцам (реальным или искусственным).
Другие функции включают в себя автоматический ремень, использующий механизм, похожий на воздушные мышцы, чтобы было легко и безопасно надевать и снимать брюки.
Исследователи предлагают создать встроенную электронную систему, которая получает информацию о движении и состоянии пользователя от датчиков, встроенных в брюки, и контролирует все системы, чтобы адаптировать движения к потребностям пользователя. Электроника позволила бы пользователям контролировать свое движение с помощью органов управления, которые были непосредственно надеты на брюки. Задача состоит в том, чтобы определить время движения искусственных мышц и электрической стимуляции реальных мышц в ответ на положение пользователя.
Оставшиеся проблемы
Правильные брюки уникальны в своем подходе к объединению передовых исследований и хорошо отработанных технологий в одном прототипе. Помимо новизны брюк-роботов, то, что делает устройство таким привлекательным, как практическая вспомогательная технология, заключается в том, что оно может быть адаптировано для множества различных пользователей. Это вселяет надежду, что оно может быть широко распространено там, где другие предыдущие предприятия потерпели крах.
Однако это только прототип. Рабочему продукту, вероятно, осталось не менее пяти лет, и на этот этап необходимо ответить на важные вопросы. Где он будет хранить всю необходимую энергию? Как можно миниатюризировать все системы и встраивать их в брюки, чтобы они не становились громоздкими и неудобными для ношения? Может ли контроллер предсказать наилучшее действие в условиях постоянно меняющейся сложности реальных сред, в которых будут ходить пользователи?
Тем не менее, другие технологии могут улучшить брюки еще больше. Интерфейсы мозг-компьютер, которые могут декодировать мозговые сигналы, теперь используются в системах, которые помогают парализованным людям снова двигаться. Мысленное управление вспомогательными брюками может сделать шаг без усилий для многих людей снова.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Иоаннис Димитриос Зулиас, доктор наук в области биомедицинской инженерии, Университет Рединга
