Экзоскелеты — уже не фантастика. Их спользуют для помощи пожилым людям, пациентам после травм и рабочим на заводах. Но у большинства таких устройств есть общая проблема: они тяжелые, шумные и жесткие. Традиционные экзоскелеты приводятся в движение электромоторами, редукторами и пневматическими насосами — это ограничивает естественную подвижность человека.
Команда инженеров из Хэбэйского технологического университета (Китай) под руководством Вэй Юя предложила принципиально иное решение. Вместо моторов они использовали диэлектрические эластомерные актуаторы (ДЭА) — искусственные мышцы из гибких резиновых волокон, которые меняют форму под действием электрического поля.
Проблема была в том, что предыдущие версии таких материалов были слишком слабыми, чтобы помогать человеку при ходьбе, а также слишком короткими и громоздкими. Исследователи решили эту задачу, создав новую молекулярную структуру резины, которая значительно повысила ее прочность. Они научились скручивать материал в тонкие нитевидные волокна, а затем собирать их в пучки — точно так же, как устроены настоящие мышцы, состоящие из множества отдельных волокон, работающих вместе.
На основе этих искусственных мышц инженеры построили легкий экзокостюм для бедер. На каждом бедре закреплен пучок волокон, а на поясе — компактный аккумулятор, который подает электричество.
Технологию протестировали на шести здоровых добровольцах. Каждый из них ходил на беговой дорожке в трех режимах: без костюма, с костюмом в пассивном режиме (без электрической помощи) и с активным костюмом (с включенными искусственными мышцами). Ученые измеряли потребление кислорода (это прямой показатель энергозатрат организма) и отслеживали активность мышц ног с помощью датчиков.
Результат: когда костюм был активен, добровольцы тратили в среднем на 13,9% меньше энергии, чем при ходьбе без костюма. Это означает, что они шли с меньшим усилием, хотя сами этого не замечали. Данные с датчиков подтвердили, что мышцы ног действительно работали менее интенсивно.
«В этой работе представлен полностью управляемый ДЭА-экзокостюм для помощи при ходьбе, который не требует громоздких моторов или пневматических систем, — пишут авторы в статье, опубликованной в научном журнале Science Advances. — Эти результаты продвигают ДЭА-технологию в сторону практических носимых роботов для реальной помощи человеку».
Пока у разработки есть ограничения: времени работы батареи хватает не на весь день, а система управления не может подстраиваться под изменения скорости ходьбы или разные типы поверхности. Но исследователи уже работают над улучшением этих параметров. Открытие обещает сделать экзоскелеты доступными, комфортными и необременительными для повседневного использования.
Ранее Наука Mail рассказывала о создании дешевого экзоскелета для реабилитации после инсульта.