Экзоскелет - не костюм из будущего, а необходимость | Первый творческий форум ЦРТП

Экзоскелет - не костюм из будущего, а необходимость

Регистрация
6 Авг 2016
Сообщения
163
Реакции
688
Кто и для чего производит экзоскелеты в России

В течение всей истории человечество стремится превзойти свои возможности. В отличие от других существ, мы бросаем вызов биологии и совершенствуем свои тела быстрее, чем эволюция. Хотя у человеческого тела много слабостей, мы успешно дополняем и восполняем функции с помощью высокотехнологичных инструментов. Например, усиливаем интеллектуальный потенциал благодаря электронно-вычислительной технике, а утраченные органы «достраиваем» при помощи бионических протезов.

Но есть механизмы, способные «апгрейдить» не только отдельные органы, но и тело человека целиком — увеличить силу в несколько раз или подарить радость движения почти парализованному человеку. Это — экзоскелеты.


Экзоскелет — мобильный механизм, функционирующий при помощи системы электродвигателей, рычагов, гидравлики и других технологических решений. Экзоскелеты предназначены для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей.

Первые разработки экзоскелетов относятся ещё к XX веку. Изобретатель Николай Ягн в 1890 году запатентовал так называемый «эластипед», предназначенный для облегчения передвижения солдат. В основе механизма лежала система пружин, увеличивающая силу человека при движении вверх. Однако рабочий прототип так и не был создан. Первый функционирующий экзоскелет появился в 1960-х годах. Разработки велись компанией Hardiman при поддержке Министерства обороны СШA. Механизм весил 680 кг и был способен поднимать грузы весом до 110 кг. Но проект так и не смог развиться в полноценно функционирующую систему из-за проблем с управлением.

Сегодня экзоскелеты используются не только в военных целях, но и для решения медицинских и промышленных задач. В 2017 году немецкий исследовательский центр Clinatec продемонстрировал экзоскелет, призванный помочь полностью парализованным людям. Конструкция весом 65 кг управляется при помощи датчиков, имплантированных в череп и считывающих импульсы от зон мозга, отвечающих за движения. А в Японии экзоскелеты уже используются для облегчения жизни пожилым людям. Конструкция доступна рядовым жителям страны, может использоваться в быту и позволяет поднимать вес до 55 фунтов. Стоимость экзоскелетов для японцев колеблется от $1300 (Innophys) до $5500 (Atoun Model Y от Toyota).

Кто является законодателем моды промышленных и медицинских экзоскелетов в России?

Игроки рынка РФ

Быть как атлет с ExoAtlet


Первые разработки экзоскелетов ExoAtlet были начаты в 2011 году учеными НИИ Механики МГУ, которые выиграли тендер МЧС на разработку экзоскелета для выполнения задач в аварийных условиях. За два последующих года команда специалистов во главе со старшим научным сотрудником НИИ Механики МГУ, кандидатом технических наук и доцентом Еленой Письменной создала первые прототипы. Так, пассивный экзоскелет ExoAtlet позволял поднимать вес до 70 кг, а активный — до 200 кг, правда, без возможности передвижения.

В 2013 году родилась компания ExoAtlet благодаря объединению специалистов НИИ с Михаилом Крундышевым (сейчас — гендиректор ExoAtlet) и Екатериной Березий (CEO ExoAtlet Global). С этого момента направление переориентировали на медицинские задачи. В 2014 году команда ExoAtlet стала резидентом Сколково, в этот же период был создан работающий медицинский прототип экзоскелета.

По словам маркетолога компании Алины Зверевой, за 5 лет было создано несколько модификаций экзоскелетов, пройдена медицинская сертификация в России, Южной Корее, Казахстане, Вьетнаме, Индии. Представительства ExoAtlet уже есть в Люксембурге, Южной Корее, Японии и США.


На сегодняшний день главный продукт ExoAtlet — одноимённый экзоскелет, разработанный с целью реабилитации пациентов с нарушениями опорно-двигательного аппарата и нервной системы в нижней части тела. Для того, чтобы передвигаться, пациенту необходимы довольно сильные руки, способные удерживать связанные с системой костыли. Экзоскелет управляется при помощи кнопок, расположенных на костылях, и приводится в движение благодаря сигналам от датчиков и электромиограммы. Алгоритмы устройства и встроенные приводы повторяют естественный паттерн ходьбы человека, благодаря чему ускоряется процесс восстановления двигательной и нервной активности.

«С помощью робототехнической конструкции ExoAtlet искусственно пробуждает внутренние ресурсы организма. За счет этого реабилитация проходит быстро и эффективно. Экзореабилитация способствует улучшению работы органов малого таза — в результате организм начинает лучше очищаться, выводятся токсины, кожа и костный мозг полноценно питаются. В итоге пациент чувствует себя лучше, у него появляется желание жить»

Система ExoAtlet весит около 20 кг, однако пациент не ощущает вес, поскольку движения автоматизированы и поддерживаются самой системой. Для того, чтобы научиться ходить, пациенту потребуется несколько дней. В процессе подготовки врачи наблюдают за состоянием пациента, корректируют и настраивают параметры для каждого индивидуально. ExoAtlet сертифицирован и применяется в реабилитационных центрах России, Южной Кореи, Казахстана, всего примерно в 60 учреждениях. Во многих из них предполагается возможность бесплатной реабилитации.

«Сейчас наш экзоскелет стоит около 4 млн рублей, — рассказывает Екатерина Березий. — Это вдвое дешевле, чем зарубежные аналоги (в мире их всего четыре). Важно, что нашу разработку используют государственные больницы. Это значит, что любой пациент может госпитализироваться в ту клинику, где есть экзоскелет, и пройти двухнедельный курс реабилитации в экзоскелете бесплатно».

Изначально в ExoAtlet планировали экзоскелет для домашнего использования, однако до сих пор эти планы не реализованы. Причина тому — неэффективность и даже опасность попыток реабилитации без сопровождения специалистов, которые создают индивидуальную программу реабилитации и контролируют течение самих занятий.
«Мы проанализировали рынок и поняли, что логичнее создавать амбулаторные центры, так называемые ExoGym. Они похожи на традиционные фитнес-центры, но предназначены специально для людей, которые хотят восстановить двигательные функции. Мы верим, что за такими центрами будущее. Там нет людей в белых халатах, не пахнет клиникой, зато царит атмосфера поддержки и веры в пациента. Это также более экономически целесообразно для пациента по сравнению с практикой частного использования».

У ExoAtlet есть собственное ноу-хау — реабилитация в онлайн-режиме: «У нас есть облачное решение ExoCloud, которое позволяет врачу контролировать успехи пациента независимо от того, где он находится. Человек может тренироваться несколько раз в неделю с сопровождением инструктора в любом из центров ExoGym, находясь в любой точке мира под наблюдением врача».

«Наша цель — сократить дефицит высокотехнологичной медицинской помощи. Пока наши разработки рассчитаны на применение в клинике, но в будущем смогут использоваться в ExoGym, площадках для ежедневных тренировок недалеко от дома. Облачный сервис позволит врачам удаленно наблюдать за тренировками и контролировать процесс реабилитации», — отмечает Березий.

Сила Symbionix в помощь людям с ограничениями в движениях

Российская компания Symbionix в течение двух лет занимается разработкой решений в области медицины. «Компаньон» — экзоскелет, предназначенный для восстановления двигательной активности людей с повреждениями спины и нижнего пояса конечностей. Механизм крепится к телу с помощью специальных регулировочных инструментов, благодаря чему возможно подогнать «костюм» под индивидуальные параметры человека — ширину и глубину таза, длину бедра и голени. Экзоскелет выдерживает вес до 120 кг и подходит для людей ростом до двух метров. Герметичность конструкции даёт возможность использовать «помощника» при температуре воздуха от -30 до +50 градусов и при любых погодных условиях.

«Компаньон» позволяет комфортно перемещаться благодаря съёмному аккумулятору и внешнему модулю управления. При активном использовании заряда хватит на три часа, а в пассивном режиме — до пяти часов. Экзоскелет имеет размеры 55х40х35 см, весит 8,5 кг и выполнен из высокопрочного пластика и сплава титана. По словам производителей, их экзоскелет самый лёгкий и прочный среди аналогов. Механизм предполагает разные режимы — ходьба, вставание, подъём по ступенькам, приседание. Есть возможность управлять длиной и высотой шага с помощью дистанционного пульта управления.




«Компаньон» предназначен для взрослых, но команда планирует также запустить создание экзоскелетов для детей и подростков. Утверждается, что устройство эффективно при реабилитации и поддержке людей с мышечной дистрофией, травмами спинного мозга, инсультами, нервно-мышечными и нейродегенеративными заболеваниями, черепно-мозговыми травмами.

В декабре 2019 года фонд «Мир» выделил Symbionix 70 миллионов рублей для получения кредита в МСП Банке на 100 миллионов рублей. Деньги предоставлены сроком на 7 лет в рамках программы субсидирования среднего и малого бизнеса Минэкономразвития. Cообщается, что производство будет запущено в Твери на территории 1,8 тысячи кв.м. Производить экзоскелеты собираются в количестве 500 единиц в год и более. Разработчики собираются охватить российский рынок, а также поставлять механизмы в страны Европы, Азии и США.

Ещё одно перспективное решение, над которым работают в Symbionix — экзоскелет для военно-тактических целей Warman. Сообщается, что устройство поможет в два раза увеличить подъёмную силу и выносливость. Кроме того, Warman будет обладать закрытой архитектурой, которая сможет выполнять роль защитной амуниции. Пока информация об устройстве ограничена упоминанием на сайте компании.

Приумножить силу вместе с «Норникель»

Экзоскелеты успешно применяются не только в медицине, но и в промышленности с целью профилактики профессиональных заболеваний и увеличения эффективности труда.

Это направление заинтересовало горно-металлургическую компанию «Норникель», которая активно инвестирует в новые технологии. По данным Росстата, в России более пяти миллионов человек задействовано в работах, предполагающих тяжёлый физический труд в области добычи полезных ископаемых, на производствах по их обработке и хранению, в строительстве и транспортировке. Часть этих работ возможно автоматизировать, но в большинстве случаев автоматизация экономически и технически нецелесообразна. По словам руководителя направления по цифровым технологиям и системам компании «Норникель» Левона Киракосяна, экзоскелет может облегчить труд и уменьшить травмирующее воздействие на позвоночник и ноги человека, принимая на себя до 90% веса при поднятии тяжести до 60 кг.

Экзоскелеты «Норникель» также помогают увеличить эффективность работы. По утверждению Виктора Диконенко, заместителя главного инженера-технолога производственного объединения «Норильскремонт», работник, применяющий экзоскелет, может заменить трёх в процессе погрузочно-разгрузочных работ, работ по укладке труб и установке металлических конструкций. И что немаловажно, подчеркивает Виктор Диконенко, применение экзоскелетных комплексов способствует повышению безопасности труда на производстве.



Успешность применения экзоскелета от «Норникель» подтверждается около 200 часами «полевых испытаний», которые проводились на Норильской площадке. Экзоскелеты были представлены на выставке «Агентства стратегических инициатив» в сентябре 2019 года, и сейчас компания обсуждает планы продажи экзоскелетов другим предприятиям. По словам Сергея Радькова, руководителя направления Цифровое производство, Цифровая лаборатория, компания «Норникель», заинтересованность в разработке выразили «Евраз», «Алроса», «Металлинвест» и другие; ряд компаний, включая «Северсталь» и «Газпромнефть», уже провели тестирование: «С большой долей вероятности мы будем выходить на рынок. Сейчас внутри компании этот вопрос активно обсуждается, проводится оценка рисков и перспектив. Наши встречи с участниками рынка показывают, что промышленное использование экзоскелетов интересно большинству игроков и оценивается ими с позитивной точки зрения».

Вперёд и вверх с Exorise

Мотивом для появления компании ООО «ЭКЗОРАЙЗ» послужила идея создания конкурентного экзоскелета для промышленности российского производства. На сегодняшний день компания Exorise предлагает три модели отечественных экзоскелетов — X-Soft, X-Rise и X-Arm. В начале 2020 года в продажу также поступит женский экзоскелет модели X-Soft.

X-Soft — мягкий пассивный экзоскелет, предназначенный для разгрузки спины при наклонах и поворотах с грузом или без него. Вес конструкции — 1,5-2 кг. X-Arm относится к линейке «тяжелых экзоскелетов» — его вес вместе с ногами составляет порядка 10 кг. Этот «костюм» позволяет нивелировать как вес самого экзоскелета, так и вес используемых инструментов (до 40 кг) благодаря прочным опорам — «ногам». Модель X-Rise весит около 3 кг, её главная функция — поддержка рук оператора во время выполнения манипуляций, требующих длительного удержания рук на весу.

Решения «ЭКЗОРАЙЗ» относятся к экзоскелетам пассивного типа, то есть работают за счет накопления и отдачи энергии без сервоприводов, пневматики, гидравлики и электрики. С помощью силы гравитации рабочий сам «заряжает» устройство, чтобы потом с его помощью поднять груз. Разработчики отмечают в качестве преимуществ модульность конструкции, расширяющую адаптивность продукта к конкретной задаче, антропоморфическую форму, возможность быстрой экипировки, износо- и жаростойкость.
«Целью создания промышленных экзоскелетов Exorise стала попытка уйти от серьёзной дорогой роботизации отдельных технологических операций, поскольку этот подход не показал себя эффективным ни в России, ни во всём мире. Мы решили "усилить" конкретного рабочего, опираясь на его навыки, компетенции и опыт. Но при этом основной задачей было не только повышение эффективности производственного процесса, но и сохранение здоровья человека. Мы хотели сделать наши модели максимально комфортными для работников промышленности, но при этом доступными».


По словам команды, экзоскелеты прошли испытания в полевых условиях. Эксперименты подтвердили повышение выносливости пользователя X-Soft до 91% в статике и до 38% в динамике. Модель X-Soft обещает снизить нагрузку на спину на 30% при работе с тяжёлым инструментом, переноске деталей и грузов, наклонах. Основные сферы применения экзоскелетов Exorise — металлургия, нефтегазовая отрасль, машиностроение, строительство, спасательные работы, складское хозяйство, погрузочно-разгрузочные работы, сельское хозяйство, жилищно-коммунальное хозяйство.

Команда утверждает, что помимо высокой технологичности разработки приятно удивят ценой, потому что в комплектации отсутствуют дорогостоящие детали. Так, стоимость экзоскелета для грузчиков X-Soft — от 72 000 рублей в зависимости от объема партии; экзоскелет для поддержки рук X-Rise оценивается в 220 000 рублей; ремонтный комплекс X-Arm в зависимости от комплектации можно заказать по цене от 450 000 рублей.

По словам Дмитрия Копылова, генерального директора ООО «ЭКЗОРАЙЗ», с 2019 года X-Soft используется на ПАО «ММК», по заказу которого и были созданы первые прототипы «мягкого» экзоскелета, а также на других ведущих предприятиях горно-металлургической отрасли России. Кроме того, осуществляются поставки на машиностроительные предприятия, автопроизводителям и логистическим компаниям.

«Наверное, главным преимуществом является то, что изначально мы создавали экзоскелет не как технически сложное устройство с инженерной точки зрения, а как антропоморфную конструкцию, усиливающую человека и помогающую ему. Мы строили математические модели, проводили серьёзные медицинские исследования, лабораторные и полевые испытания прототипов», — отмечает Данила Целиканов.


Мягкая посадка с ExoChair

Экзоскелет ExoChair — продукт коллаборации «Полезных роботов» с конструкторским бюро «Карфидов Лаб» (центр коллективного пользования «Сколково»). По данным Forbes, в 2017-2018 годах компания «Полезные роботы» получила около 4,7 млн рублей по программе микрогрантового финансирования на разработку и тестирование прототипов экзоскелетов.

ExoChair предназначен для снижения утомляемости сотрудников, выполняющих работу в статических позах. Устройство может быть полезно кинооператорам, фотографам, хирургам, медсёстрам, социальным работникам, охотникам-рыболовам, автослесарям, рабочим конвейерных и сборочных производств и другим. В марте 2019 года была опубликована статья о 12-часовой операции, при которой хирург был облачен в экзоскелет. Сообщается, что экзоскелеты для медицинских работников, выполняющих длительные операции, являются настоящим спасением, учитывая огромную нагрузку на опорно-двигательную систему при длительном стоянии.

Также отмечается, что отечественная разработка значительно превосходит по характеристикам немецкий Chairless Chair (Noonee) и конкурента из Америки LegX (SuitX). Среди основных преимуществ российского «стула» — адаптивное управление и интеллектуальная система сбора данных о пользователе. Ну и, конечно, цена — российский экзоскелет обойдётся намного дешевле аналогов: 150 000 рублей, по сравнению с «американцем» — $6000 и «немцем» — €3750. Как отметил один из руководителей проекта инженер Алексей Карфидов в интервью «Вести Наука», экзоскелеты ExoChair отличаются высокой технологичностью при низкой себестоимости, что делает ExoChair практичным решением.

В ноябре-декабре 2017 года разработка прошла «полевые испытания» в Центре учёта наличного денежного оборота ПАО «Сбербанк» на рабочем месте сотрудников по пересчёту монет Банка России. Также экзоскелет протестировали при сборке и монтаже шасси газомоторных автобусов.


Перспективы развития рынка экзоскелетов в России

Сейчас в России на тяжелых физических операциях занято около пяти миллионов человек, а нарушения охраны труда наносят национальной экономике ущерб более чем в 1,5 триллиона рублей в год. Но, к сожалению, полностью заменить ручной труд машинным на данном этапе невозможно. Во-первых, для ряда операций пока еще необходим человеческий интеллект и опыт. Во-вторых, чтобы полностью перейти на машинный труд, большинству предприятий потребуется полная реконструкция процессов, к которой готово далеко не каждое из них. Наконец, зачастую стоимость промышленных роботов намного выше человеческого труда.

Экзоскелеты же существенно дешевле, не требуют глобальной модернизации производства и при этом значительно повышают безопасность и эффективность ручного труда. Да, вероятно, в будущем машины смогут полностью заменить человека; но пока до этого далеко, нужны гибкие переходные решения — и экзоскелеты являются одним из таких примеров.

Сергей Радьков
руководитель направления Цифровое производство, Цифровая лаборатория, компания «Норникель»


На мой взгляд, в ближайшие два года рынок промышленных экзоскелетов в России будет активно расти. В нашей стране серьезно представлена тяжелая промышленность, в частности, машиностроительный комплекс, где люди долго работают с тяжелым инструментом, испытывают большие нагрузки, перенося грузы, и так далее. Соответственно, рынок в России есть, и он может измеряться в сотнях тысяч подобных устройств. Международный рынок также интересен — здесь мы вполне конкурентны, поскольку наши экзоскелеты не менее функциональны, но стоят на порядок дешевле зарубежных.

Дмитрий Копылов
генеральный директор ООО «ЭКЗОРАЙЗ»


В ближайшее десятилетие эксперты прогнозируют бурное развитие реабилитационной робототехники. Это обоснованно статистикой по заболеваниям и созданием в каждой из стран новых стандартов и тарифов экзореабилитации, позволяющих пациентам непрерывно тренироваться в течение длительного времени, а клиникам покрывать издержки в рамках соответствующего тарифа.

Мы видим своей целью развитие экзореабилитации как непрерывного комплексного процесса, сочетающего ходьбу в экзоскелете с другими реабилитационными методиками, который должен привести к улучшению самочувствия пациентов, а в отдельных случаях — к частичному или даже полному восстановлению способности ходить.

Экзореабилитация начинается в стационаре на первом этапе реабилитации после стабилизации состояния пациента и продолжается на втором и третьем этапах, переходя из стационара в амбулаторную форму с занятиями несколько раз в неделю на базе медицинских учреждений или учреждений социальной защиты. Для пациентов, которые не могут посещать лечебные учреждения, мы считаем важным предусмотреть возможность проходить курс на дому с помощью мобильных бригад.

Алина Зверева
маркетолог ExoAtlet


Преодоление сложностей

Помимо перспектив, есть ряд сложностей, с которыми сталкиваются производители футуристических «костюмов». Дмитрий Копылов из Exorise выделяет в качестве одной из основных проблем скепсис производственников. Многие не готовы сразу принять идею, что экзоскелеты способны существенно облегчить труд и сберечь здоровье работникам. Тем не менее, после апробаций, как правило, эта проблема снимается сама собой.

«Перед нами стоят две сложные задачи по внедрению экзоскелетов: первая — донести до самих рабочих на местах, доказать им на деле, что экзоскелет нужен на производстве, поскольку способен сохранить их здоровье и повысить эффективность их труда. Что экзоскелет — это не костюм из будущего, а уже необходимость для любого промышленного предприятия. И вторая, не менее сложная задача — донести ту же самую мысль до собственников, директоров, лиц, принимающих решения на предприятиях. Чтобы они сами убедились в том, что экзоскелетные технологии — это эффективное инновационное направление развития их компаний, благодаря которому можно снизить травматизм, повысить производительность и лояльность, и, как следствие, снизить себестоимость выпускаемой продукции»

«При разработке любой инновации обязательное условие — донести до пользователя информацию о том, что применение нового продукта способствует упрощению деятельности. Нужно также помочь сформировать привычку использования нового продукта», — добавляет Сергей Радьков.

Ещё одна проблема — получение венчурной поддержки, стартового капитала, необходимого для развития инновационной компании. «Возникают кассовые разрывы в связи с тем, что это материальное производство, то есть требуется сначала закупка компонентов, затем изготовление, поставка. Учитывая, что крупные промышленные компании в основном используют постоплату, складывается сложная ситуация», — объясняет Дмитрий.

Алина Зверева, маркетолог ExoAtlet, видит главной проблемой для развития бизнеса медицинских экзоскелетов отсутствие единого государственного стандарта для подобных реабилитационных устройств: «В результате, несмотря на то, что мы интегрированы в рынок, у нас и у врачей возникают сложности на этапе коммерциализации устройства в клиниках, так как экзоскелеты не подпадают под тарифы. Поэтому приходится подстраиваться под существующие нормы и показывать, что наши устройства действительно помогают и могли бы делать это лучше при определённых условиях».

Второй трудностью Алина называет недостаточную развитость программ амбулаторной реабилитации, предполагающих регулярную длительную терапию
«По текущим стандартам реабилитационные курсы длятся недолго. Около двух недель — время, за которое пациент только успеет привыкнуть к устройству, а его уже выписывают, и возможности тренироваться дальше у него нет. Мы же верим, что тренировки в экзоскелете должны быть регулярными и проводиться на протяжении хотя бы нескольких месяцев, иначе результата от терапии не будет. Самый оптимальный способ организовать такие тренировки — проводить их в амбулаторной форме по единой программе, причём это можно делать как на базе больниц и клиник, так и на базе, например, районных социальных центров, адаптированных для людей с инвалидностью. К этому мы сейчас и стремимся».

 
Сверху Снизу