Компании, разрабатывающие экзоскелеты, обещают улучшить жизнь людей с нарушением двигательных функций и просто облегчить физический труд. Представьте, что вы стали в несколько раз сильнее и можете поднимать грузы, которые обычному человеку не под силу. Или находиться в одном положении долгое время, выполняя монотонную работу.
Но современные экзоскелеты все еще несовершенны и обладают серьезными недостатками, например, ограниченной подвижностью конструкции. Команда российских студентов решила этот вопрос. Проект AUXILIUM демонстрирует принципиально новую модель, позволяющую человеку двигаться свободнее.
Что такое экзоскелет
Экзоскелет — это носимое механическое устройство, предназначенное для усиления, поддержки или восстановления движений человека. Такие системы взаимодействуют с опорно-двигательным аппаратом и снижают нагрузку на мышцы и суставы.
Есть два типа экзоскелетов:
- пассивные — не имеют моторизации. Они используют пружины, амортизаторы и другие механические элементы, чтобы перераспределить нагрузку и снизить усталость. Их часто применяют в промышленности;
- активные — содержат электромоторы, гидроприводы или пневмосистемы. Они питаются от аккумуляторов и умеют усиливать движения пользователя или выполнять их за него. Такие модели применяются в медицине и военной отрасли.
Современные экзоскелеты часто оснащают датчиками, которые считывают намерения пользователя и координируют работу устройства в реальном времени. Среди них — гироскопы, акселерометры, электромиографические сенсоры. Так добиваются «синхронности» между телом человека и машиной.
В инженерной классификации экзоскелеты относят к области wearable robotics — носимой робототехники. Их основная цель — не заменить человека, а работать вместе с ним, расширяя физические возможности.
В 2020-х годах экзоскелеты активно развиваются в медицине, промышленности, военной сфере и логистике. Крупнейшие производители — американская Sarcos, японская Cyberdyne, французская Wandercraft и южнокорейская Angel Robotics. Россия тоже не отстает — производством экзоскелетов занимается компания AUXILIUM.
История создания экзоскелетов
Идея усиливать человеческое тело с помощью внешней конструкции возникла задолго до появления современных технологий. Первый известный патент на устройство, напоминающее экзоскелет, получил в 1890 году русский инженер Николай Ягин. Его конструкция с пружинным приводом предназначалась для облегчения ходьбы и бега.
В начале XX века американский изобретатель Лесли Келли предложил педомотор — механическое приспособление с паровым приводом, которое должно было усиливать шаг человека. Но эти идеи опередили свое время и не нашли практического применения из-за технических ограничений.
Первые попытки создания подобных устройств начались в 1960-х. В 1965 году General Electric при поддержке армии США начала разработку экзоскелета Hardiman — сокращенно от Human Augmentation Research and Development Investigation. Устройство должно было усиливать движения человека в 25 раз. Но его вес превышал 600 кг, а система управления оказалась нестабильной. Проект закрыли в 1971 году, так и не доведя до рабочей модели.
Параллельно ученые начали разрабатывать экзоскелеты для медицинского применения. В 1970-х годах в университете Висконсина и институте Михаила Пупина в Югославии создавали первые прототипы ходильных экзоскелетов для людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата.
В 1990-х началось активное развитие экзоскелетов в Японии. Компания Cyberdyne представила модель HAL (Hybrid Assistive Limb) — роботизированный костюм, который улавливал биоэлектрические сигналы с кожи и помогал при движении. HAL стал первым экзоскелетом, получившим сертификацию для клинического применения в Японии и Европе.
В 2005 году в США появилась компания Ekso Bionics — ранее Berkeley ExoWorks. Они разработали военный экзоскелет HULC (Human Universal Load Carrier) совместно с Lockheed Martin. HULC дает возможность переносить до 90 кг с минимальной нагрузкой на опорно-двигательный аппарат. Позже компания перешла к медицинским разработкам и выпустила серию экзоскелетов Ekso для людей с травмами спинного мозга и инсультами.
Сегодня экзоскелеты разрабатывают для медицины, промышленности и армии. Они становятся легче, умнее и доступнее — от тяжелых машин для переноски грузов до компактных модулей, усиливающих движения отдельных конечностей.
Проект AUXILIUM: начало
Российский проект AUXILIUM родился в 2016 году. Тогда Иван Смирнов развивал собственный канал на YouTube, снимая видео о различных самодельных механизмах и роботах. Среди них был и экзоскелет.
Видео вызвало значительный интерес у подписчиков, канал начал расти и я понял, что нужно снимать продолжение. В 2017 году к проекту присоединился мой коллега — Алексей Ледюков, и позже мы создали паблик в VK, объединяющий всех экзоскелетчиков СНГ.
В 2020 году к сообществу присоединился еще один единомышленник — Леонид Нагорный. Все трое оказались на одном факультете в Университете ИТМО в Санкт-Петербурге. Узнав о разработках талантливых студентов, руководство факультета выделило им маленькую лабораторию, где они завершили работу над экзоскелетом AUXILIUM model A.
Работая над экзоскелетами и роботами в лаборатории ИТМО, я продолжал снимать ролики для канала на YouTube, но вместе с тем присутствовала мысль о коммерциализации наших разработок. Через соцсети мы получали разные предложения, но конкретику в наши действия внесла победа в программе студенческого стартапа. Тогда мы представили бедренный экзоскелет с функцией генерации энергии при движении.
В рамках этой программы команда закупила необходимое оборудование, подала заявку на патент и создала первый сайт-магазин.
Чем уникален проект AUXILIUM
Преимущество экзоскелетов AUXILIUM — хорошо проработанная кинематика, благодаря чему движения человека естественные. Высокая подвижность вместе со способностью переносить и удерживать грузы — важный критерий. Если подвижности не хватает, человек буквально превращается в робота, надевая экзоскелет. Когда движения ограничены, ни о каком комфорте говорить не приходится.
Наша команда много лет занималась прикладными исследованиями. Удалось создать наиболее анатомически верный каркас, сочетающий подвижность и грузоподъемность. И характеристики этого каркаса подтверждены расчетами и реальными испытаниями. Мы проводили эксперименты, во время которых человек с 30-килограммовым грузом на спине в течение целого дня передвигался в экзоскелете по лесу, холмам и даже вброд через мелкие речки. Конструкция показала себя с наилучшей стороны, ведь именно в таких сложных условиях подвижность очень важна.
Проект AUXILIUM model T реализован совместно с университетом ИТМО. Это полноценная научно-исследовательская работа, в рамках которой создана первая техническая документация на экзоскелет.
Существующие на рынке экзоскелеты в большинстве случаев базируются на кинематике, разработанной в конце прошлого века сербским профессором Миомиром Вукобратовичем, специалистом в области биомеханики. Она хорошо изучена, но подвижность конструкции ограничена.
На model T мы проводили особый тип исследования — имитационное моделирование. При этом виртуальная модель экзоскелета надевается на модель человека, который совершает определенные действия. Все это записывается в датасет. Потом в специальной программе мы совмещаем этот датасет с моделью экзоскелета и получаем его в движении. Если конструкция неудобна, это сразу отражается при моделировании — звенья начинают отклоняться от маркеров. Взяв среднее значение, мы можем получить график, наглядно демонстрирующий степень удобства использования экзоскелета. По сравнению с классической кинематикой наша оказалась намного подвижнее.
Конструктивно экзоскелеты AUXILIUM состоят из листовых деталей, которые вырезаются на лазерном станке с ЧПУ. Это минимизирует ручной труд и исключает ошибки. В качестве материала используется титан. Он обладает низкой плотностью, что делает его очень легким. В то же время титан невероятно прочный, он сохраняет свойства даже при экстремальных температурах. А имплантаты из этого материала используются в медицине без риска отторжения организмом. Такой легкий и прочный материал отлично подходит для каркаса экзоскелета.
Где применяются экзоскелеты
Экзоскелеты в основном используются в четырех сферах: медицине, промышленности, армии и спорте. Каждая из них имеет свои требования к конструкции — от точного управления до способности выдерживать экстремальные нагрузки.
Медицина и реабилитация
Одна из самых активных областей применения — медицинская реабилитация. Экзоскелеты помогают восстановить способность ходить людям, пережившим инсульт, травмы спинного мозга или частичный паралич. Например, устройство Ekso GT от компании Ekso Bionics широко применяется в клиниках. Оно подстраивается под движения пациента, корректируя походку и стимулируя мышцы.
Некоторые модели, вроде ReWalk и REX, предназначены для постоянного использования в быту. Они помогают парализованным людям самостоятельно стоять, ходить и даже подниматься по лестницам. Такие системы оснащают гироскопами, электродвигателями и программируемыми алгоритмами, реагирующими на смещения центра тяжести пользователя.
Промышленность и логистика
В промышленности экзоскелеты помогают снизить физическую нагрузку на работников при выполнении тяжелых или монотонных задач. Особенно они эффективны при подъеме грузов, работе с инструментами над головой или длительном стоянии в неудобной позе.
Один из примеров — пассивный экзоскелет EksoVest, который используется на заводах Toyota и Ford. Он поддерживает руки и плечи, снижает утомляемость и риск микротравм. По данным исследования этих автомобильных компаний, использование таких систем уменьшает нагрузку на мышцы плеч до 30−40%.
Армия
Военные экзоскелеты разрабатывают с целью увеличения выносливости солдат и облегчения транспортировки грузов. Например, система HULC от Lockheed Martin помогает носить до 90 кг и адаптируется к походке человека.
А XOS-2 от Raytheon рассчитан на выполнение задач в тылу — перемещение боеприпасов, оборудования и материалов. Их тестируют армии США и Китая.
Также ведется разработка «умных» экзоскелетов, которые интегрируются с системами управления, отслеживают параметры тела и автоматически перераспределяют нагрузку при утомлении.
Спорт и экзотехнологии
В профессиональном и адаптивном спорте экзоскелеты используются для тренировки, восстановления после травм и улучшения двигательных функций. Инженеры также экспериментируют с экзокостюмами, которые повышают эффективность бега или прыжков за счет хранения и возвращения энергии движения. В марте 2025 года группа исследователей из Китайской академии наук и Университета науки и технологий Китая представила прототип магниторезистивного экзоскелета для кисти. Он усиливает хват руки при тяжелой работе или тренировках на силу пальцев.
Экзоскелеты AUXILIUM применимы везде, где на человека воздействуют повышенные нагрузки. Например, для разбора завалов. На местности со сложным рельефом колесная техника практически бесполезна, зато экзоскелет с его мобильностью будет незаменим. В будущем мы планируем создание активного экзоскелета, который позволит не просто разгружать человека, но и буквально придавать ему силы. Это достигается за счет приводов почти в каждом суставе. С таким приспособлением человек сможет поднимать больше и удерживать дольше. У нас уже есть отработанная силовая часть и система управления. На данный момент проект реализован в виде лабораторных образцов.
Проект AUXILIUM model B служил исследовательским прототипом, на нем проверялись все решения, касающиеся кинематики и механики в целом. В результате опытов команде удалось разработать общий метод представления сочленений, не требующий проектировать каждый сустав отдельно.
Экзоскелет активный — в качестве приводов в нем используется сжатый воздух. Это значительно снижает вес конструкции по сравнению с существующими аналогами с электроприводом. Масса model B примерно на 60% меньше.
Эксперт рассказал, что грузоподъемность конструкции при давлении в 10 атмосфер составляет 60 кг. Система управления работает на специальных тензодатчиках. Они считывают усилия, прилагаемые человеком при движении, и на основе этой информации микроконтроллеры рассчитывают управляющий сигнал для пневматических поршней.
Принцип работы активного экзоскелета
Когда человек начинает двигаться, датчики это определяют. Система управления в свою очередь обрабатывает полученные данные и дает команды на приводы. Такая конструкция помогает человеку, увеличивая его силу и снижая нагрузку на мышцы и суставы. Фактически активный экзоскелет работает синхронно с движениями человека, при этом усиливая их.
Полезны активные экзоскелеты в строительстве и промышленности — с ними работники могут долго находиться в определенном положении или поднимать грузы, с которыми обычный человек не справится. Военные тоже оценят такую конструкцию — она придаст солдатам силы, выносливости и скорости, при этом не ограничивая движения.
Как экзоскелеты AUXILIUM изменят мир
Разработка российских студентов — экзоскелет AUXILIUM — уже сегодня демонстрирует превосходство над западными аналогами благодаря титановому каркасу (model M) и прорывной кинематике. Но главные изменения ждут нас впереди.
В ближайшие пять лет экзоскелеты станут неотъемлемой частью производств. В промышленности экзоскелеты позволят снизить травматизм и повысить эффективность труда — особенно в логистике, строительстве и нефтегазовой отрасли.
Спасательные службы получат новые возможности: экзоскелеты помогут разбирать завалы после землетрясений, тушить пожары и эвакуировать пострадавших без риска для здоровья.
Следующий этап — создание экзоскелетов, управляемых силой мысли. Уже сейчас ведутся разработки нейрокомпьютерных интерфейсов, и AUXILIUM может стать одной из первых платформ, где эта технология будет реализована. В сочетании с искусственным интеллектом такие системы смогут предугадывать движения пользователя, адаптироваться под его физическое состояние и даже предотвращать травмы.
Не исключено появление моделей экзоскелетов для туризма, позволяющих преодолевать сложные маршруты без усталости.
AUXILIUM — это не просто прорыв в робототехнике, а первый шаг к новому этапу эволюции человеческих возможностей. Благодаря российским разработчикам, уже через 10−15 лет экзоскелеты перестанут быть нишевым продуктом и войдут в повседневную реальность, изменив промышленность, строительство и качество жизни многих людей.
