Китайские исследователи создали мягкий роботизированный экзоскелет, который помогает человеку ходить без традиционных электродвигателей, редукторов и пневматических приводов. Вместо жёстких механизмов устройство использует искусственные мышцы из эластичных полимерных волокон. По мнению разработчиков, такой подход позволяет сделать экзоскелет легче, тише и удобнее для повседневного использования.

Сегодня большинство носимых систем поддержки движения работают за счёт электромоторов или пневматики. Такие конструкции увеличивают массу устройства, ограничивают естественные движения человека и требуют громоздких механических узлов. Из-за этого экзоскелеты пока применяются главным образом в лабораториях, медицинских центрах или на промышленных предприятиях.

Авторы новой разработки решили отказаться от жёстких приводов. Основой системы стали диэлектрические эластомерные приводы (Dielectric Elastomer Actuators, DEA). Это особый класс искусственных мышц, изготовленных из эластичного материала, который меняет форму под действием электрического поля. При подаче напряжения волокно сокращается почти так же, как человеческая мышца.

Подобные материалы изучаются уже много лет, однако до сих пор их мощности не хватало, чтобы помогать человеку при ходьбе. Кроме того, существующие приводы оставались слишком короткими и толстыми, поэтому встроить их в компактный носимый экзоскелет было сложно.

Группа под руководством Вэй Юя из Хэбэйского технологического университета изменила молекулярную структуру эластомера, повысив его прочность. После этого материал удалось вытянуть в тонкие гибкие волокна, напоминающие нити. Несколько таких волокон объединяли в пучки по тому же принципу, что и настоящие мышцы, состоящие из множества отдельных мышечных волокон. Такая конструкция позволила значительно увеличить создаваемое усилие.

На основе новых искусственных мышц исследователи изготовили лёгкий экзоскелет для поддержки тазобедренных суставов. На каждом бедре расположен один мышечный пучок, а небольшой аккумулятор закрепляется на поясе. Внешне устройство больше напоминает спортивный пояс с текстильными ремнями, чем привычный металлический экзоскелет.

Испытания провели с участием шести здоровых добровольцев. Каждый участник несколько раз проходил по беговой дорожке в трёх режимах: без экзоскелета, с надетым, но выключенным устройством, а также с включённой системой помощи.

Чтобы понять, действительно ли экзоскелет снижает нагрузку, исследователи измеряли потребление кислорода и одновременно отслеживали активность мышц ног с помощью датчиков. Чем меньше кислорода расходует организм при одинаковой скорости движения, тем меньше энергии человек тратит на ходьбу.

Результаты показали, что при включённой поддержке энергозатраты участников уменьшались в среднем на 13,9% по сравнению с обычной ходьбой без экзоскелета. Одновременно датчики зарегистрировали снижение нагрузки на мышцы ног, что подтверждает: часть усилия искусственные мышцы действительно брали на себя.

Авторы работы отмечают, что их система стала первым полностью мягким экзоскелетом для поддержки тазобедренных суставов, в котором все исполнительные механизмы построены исключительно на диэлектрических эластомерных приводах. Благодаря этому конструкция обходится без тяжёлых электродвигателей и пневматических систем.

По мнению исследователей, что подобные технологии могут найти применение гораздо шире медицинской реабилитации. Лёгкие носимые экзоскелеты способны облегчить ходьбу пожилым людям, помочь пациентам после травм и снизить нагрузку на работников, которым приходится проводить весь день на ногах.

Однако до практического внедрения ещё предстоит решить несколько важных задач. Сейчас продолжительность работы ограничивает аккумулятор, поэтому пользоваться устройством долго без подзарядки нельзя. Кроме того, система управления пока рассчитана на движение в относительно стабильных условиях. Экзоскелет ещё не умеет автоматически подстраиваться под изменение скорости ходьбы, подъёмы, спуски и неровную поверхность.

Авторы считают, что дальнейшее развитие искусственных мышц из диэлектрических эластомеров позволит приблизить появление компактных носимых экзоскелетов, которые смогут использоваться не только в исследовательских лабораториях, но и в повседневной жизни.