В представленном ниже интервью приводится обзор систем управления некоторых экзоскелетов, а также дается информация о реабилитационном потенциале данных устройств. Интервью дано доступным широкой аудитории языком.Доктор Феррис является доцентом кафедры изучения движения и кафедры биомедицинской инженерии в Университете штата Мичиган.Профессор Даниэль Феррис получил мировую известность как эксперт в области экзоскелетов.

Профессор Даниэль Феррис получил мировую известность как эксперт в области экзоскелетов. Звания и учёные степени профессора перечислены в конце данной статьи. У него много публикаций на тему экзоскелетов, в этом не трудно убедиться, открыв поисковую систему Google Академия. Когда Даниэль играл в американский футбол за Университет Центральной Флориды, он получил опыт, который способствовал его профессиональной карьере. На футбольном поле Даниэль ломал обе ноги, руку, нос, позвоночник, всё происходило в разное время, в конечном итоге ему захотелось создать механизм, который бы так быстро не ломался.

Мы провели это интервью по электронной почте, задавая каждый раз по одному вопросу. Из-за плотного графика Даниэля на это ушло несколько недель. Мы закончили интервью в январе 2011года.

Джин: Из ведущих экзоскелетов (Rex, ReWalk, HAL, eLEGS, и т.д.) какой, по вашему мнению, технически превосходит остальные? Почему?

Дан: К сожалению, я сейчас не могу сказать. Это всё равно, что отвечать на вопрос “в какой галактике больше живущих организмов?” Ответ очевиден, но у нас недостаточно данных, чтобы знать ответ. То же самое можно сказать об экзоскелетах. На настоящий момент существует большое количество публикаций, интервью средствам массовой информации и других форм социальной рекламы, но очень мало достоверных данных, с помощью которых можно определить их возможности. Исходя из той информации, которая известна мне, рискну предположить, и это действительно моё предположение, что экзоскелеты Honda, HAL и eLEGs являются наиболее прогрессивными на данном этапе. Здесь важно отметить, что у каждого из них есть свои цели, задачи и ограничения. Поэтому каждый из них может найти уникальную нишу на рынке.

Джин: Каждый из производителей использовал различный механизм управления компьютером, который приводит экзоскелет в движение: джойстик (Rex), электромиографические датчики (HAL) и датчики движения (ReWalk and eLegs). Можете ли вы рассказать об их преимуществах и недостатках?

Дан: Я — сторонник встроенной системы управления. Проще говоря, в процессе управления экзоскелетом нервная система должна воспринимать его как часть тела. С джойстиком нервная система не может обрабатывать команды, не требуя от мозга дополнительных усилий, которые нужны, чтобы преобразовать движения джойстика в движения тела. Это отличается от выполнения естественных для себя движений, управление джойстиком требует дополнительного мыслительного процесса. Это означает, что управляя джойстиком, невозможно добиться такой же пластичности движений, которую может обеспечить встроенная система управления. С другой стороны, у джойстика есть преимущество, чтобы им пользоваться, не надо много учиться.

Использование датчиков силы и движения для системы управления имеет свои преимущества, как правило, они надёжны, программное обеспечение легко разработать, а детали легко изготовить.
Электромиографические датчики, как для экзоскелета HAL, фиксируют биоэлектрические импульсы, которые заставляют мышцы сокращаться. Благодаря этим датчикам экзоскелет будет работать в зависимости от мышечной активности. Чем больше мышц вовлечено в процесс, тем активнее будет реагировать экзоскелет. Данный тип управления в значительной степени соответствует пониманию «встроенный». Оператор учится управлять экзоскелетом, выполняя естественные для себя движения, не понимая в полной мере, как это происходит. В процессе человек учится соотносить напряжение мышц с динамикой экзоскелета. Самым большим недостатком такого управления является несовершенство датчиков, на степень их чувствительности к сигналу влияют шумы. Ввиду этого их надёжность падает. Также, у многих пациентов сигнал на сокращение мышц настолько слабый, что вообще не улавливается, в таком случае управлять экзоскелетом невозможно. Пациенты после инсульта, с травмами позвоночника также не могли полностью освоить такое управление.

Для большинства экзоскелетов, которые находятся на разработке, наиболее частая стратегия управления – это применение датчиков силы и движения, которые должны расшифровать намерение оператора совершить движение, например eLegs. На основании данных, полученных датчиком, блок управления компьютера активирует экзоскелет, который помогает совершить движение. Преимущество использования датчиков силы и движения для управления состоит в том, что они весьма надёжны, их программное обеспечение легко разработать, а детали легко изготовить. Самый большой фактор неизвестности при использовании этих датчиков – это насколько скоординированы будут движения экзоскелета и человека. Мы не можем написать уравнения, которые бы с точностью описывали, как нервная система человека работает под влиянием различных обстоятельств. Таким образом, от человека требуется реакция, чтобы пользоваться этим типом управления. Это замедляет действие системы, движения экзоскелета становятся резкими и неэффективными. Кроме того, всё ещё нет достоверных сведений об уровне «встроенности», который обеспечит управление с помощью датчиков силы и движения. Я полагаю, что в самом лучшем случае уровень будет хорошим, но никогда не достигнет «настоящей встроенности».

Джин: По крайней мере, создатели одного экзоскелета eLEGS делают упор на имитации естественной походки. Насколько важна походка в процессе эксплуатации экзоскелета? Если оператор парализован, действительно ли ему важно насколько естественной будет его походка?

Дэн: Слово «походка» означает разные вещи для разных людей. В данном случае, я считаю, что походка представляет собой кинематическую схему, аналогичную ходьбе и общую для неврологически здоровых индивидов. Кинематика – это то, как мы видим движение, не принимая во внимание те силы, которые являются его причиной. В действительности для людей с ограниченными возможностями очень важно как другие воспринимают их движения. Они бы предпочли увеличить свою подвижность с помощью устройства, которое будет менее заметным, чем с помощью того, которое будет производить неестественные движения и привлечёт много внимания к своему владельцу. Какой бы ни был экзоскелет, он привлечёт внимание, но если движения в нём будут выглядеть естественно, то с точки зрения владельца, это будет преимуществом. Что касается физиологии или процесса реабилитации, нельзя однозначно сказать о преимуществах более естественной походки.

Джин: Условиями эксплуатации большинства ведущих экзоскелетов является наличие сильных мышц верхнего пояса у их владельцев, а также необходимость использовать костыли для поддержания равновесия. Это значит, что для большинства парализованных людей они не подходят. Насколько мне известно, Rex — это единственный экзоскелет, для которого они не нужны. Это имеет огромное значение, потому что, по крайней мере, половина травм позвоночника ведет к параличу. Значит ли это другие экзоскелеты должны решить проблему зависимости от сильного верхнего пояса и костылей, чтобы стать полезными для парализованных людей? Можем ли мы надеться, что наступит день, когда они смогут пользоваться этими экзоскелетами?

Дан: Число людей, у которых ограничена двигательная активность в результате инсульта, черепно-мозговой травмы, церебрального паралича и рассеянного склероза значительно превышает число людей, чья двигательная активность нарушена в результате травмы позвоночника. Поэтому, достаточно много потенциальных пользователей, которые могли бы носить экзоскелеты, используя при этом костыли. Вместе с тем, следует принять во внимание, что разработка экзоскелета для нижних конечностей в сочетании с костылями – это всего лишь первый шаг на пути к большему. Вполне вероятно, что для усовершенствованных моделей этих экзоскелетов, костыли будут не нужны.

Джин: Возникает впечатление, что большинство экзоскелетов были разработаны, чтобы помочь людям, парализованным в результате травм спинного мозга. Применяется ли принципиально другая технология для другого рода заболеваний, возникших, например, в результате спастических повреждений, таких как, церебральный паралич, спастический паралич, рассеянный склероз и т.д., которые отличаются от паралича, который стал результатом травмы позвоночника. Вопрос в том, может ли быть такой экзоскелет, который смогут использовать большинство людей с заболеваниями опорно-двигательного аппарата. Если это невозможно, то какой экзоскелет больше подойдет для вышеперечисленных заболеваний?

Дан: Экзоскелету легче всего побороть мышечную слабость. Однако, большое количество неврологических заболеваний сопровождается другими симптомами, такими как спазм. Со спазмом труднее иметь дело, потому что возникают быстрые неконтролируемые телодвижения, экзоскелет должен их нейтрализовать. На основании исследований спазмов с помощью роботизированных интерфейсов, можно сказать, что будет сложно создать экзоскелет, который бы мог выдерживать высокую спастическую активность. Выявив симптомы и степень их выраженности, которые могут быть у пациентов, страдающих одним неврологическим заболеванием, лучше думать о соответствии экзоскелета в каждом конкретном случае, чем думать о его соответствии при каком-либо заболевании. Возникнет необходимость в экзоскелетах различных типов или, по крайней мере, с различными типами управления в зависимости от индивида, его возможностей и симптомов его заболевания.

Джин: Я слышал прогнозы относительно того, что если заменить инвалидные кресла на экзоскелеты, снизится риск госпитализации в результате заболеваний мочевыводящих путей, кожных заболеваний (из-за образования пролежней) и заболеваний органов дыхания. Еще говорят об уменьшении риска остеопороза, заболеваний сердечно-сосудистой системы и системы пищеварения. Что вы думаете по этому поводу? Снизится ли необходимость госпитализации, улучшат ли экзоскелеты здоровье людей на инвалидных креслах, увеличат ли они продолжительность жизни или можно будет меньше тратить, поскольку уменьшатся расходы на поддержание здоровья?

Вертикальное положение тела и ходьба увеличивают циркуляцию крови и весьма вероятно, что сердцебиение и интенсивность дыхания будут выше, чем у человека, который сидит в инвалидном кресле. Нагрузка на ноги поможет бороться с остеопорозом, потому что кости укрепляются, когда их нагружают. Я думаю, так и произойдет с большой долей вероятности.

Дан: Данный прогноз звучит убедительно, его логика состоит в том, что если возрастет использование экзоскелетов, то будет меньше осложнений, но у нас еще нет достоверных данных, чтобы это подтвердить. Идея состоит в том, что чем меньше находится в сидячем положении, тем больше крови будет поступать к тканям и не будет проблем с их отторжением.. Вертикальное положение тела и ходьба увеличивают циркуляцию крови и весьма вероятно, что сердцебиение и интенсивность дыхания будут выше, чем у человека, который сидит в инвалидном кресле. Нагрузка на ноги поможет бороться с остеопорозом, потому что кости укрепляются, когда их нагружают. Я думаю, так и произойдет с большой долей вероятности, но это станет известно, когда люди будут носить экзоскелеты продолжительное время, чтобы мы смогли сделать соответствующие измерения.

Джин: Когда или кому использование экзоскелета может принести вред, или кому бы вы не рекомендовали его носить?

Дан: Для тех, кто может ходить сам, слишком частое использование экзоскелета может привести к атрофии собственных мышц. Что касается остальных, необходимо научиться безопасному управлению экзоскелетом. Если возможности экзоскелета не позволяют удерживать равновесие и справляться с помехами при движении, его владелец должен это делать сам. Каждый тип экзоскелета будет наделен разными возможностями.

Джин: А что если человек провел в инвалидном кресле много-много лет? Есть ли опасность того, что кости слишком хрупкие, связки потеряли эластичность или сердечно-сосудистая система не справится со стрессом, который возникнет из-за непривычного вертикального положения? И вообще возможно ли помочь людям адаптироваться в переходный период?

Дан: В любом случае экзоскелет будет полезен для них, но необходимо дозировать интенсивность физической активности при использовании экзоскелета. Древнегреческий герой Милон тренировался, нося на плечах маленького теленка каждый день. Когда теленок превратился в четырехлетнего быка, Милон все еще мог ходить с быком на плечах. Схожим образом постепенная нагрузка является ключевым принципом силовой тренировки и реабилитации. Каждодневное увеличение времени тренировки в экзоскелете позволит укрепить мышцы, кости, связки и сердечно-сосудистую систему. Степень нагрузки будет подбираться индивидуально.

Джин: Предположим, что перед нами человек, который частично парализован, в некоторой степени он может управлять мышцами. Например, у него наблюдается частичная подвижность тазобедренных суставов и верхней части ног. Допустим, что этот человек хочет использовать экзоскелет, чтобы вставать и тренироваться. Разве экзоскелет на это не способен? Я спросил одного производителя, он ответил, что их экзоскелет на это не способен. Почему же не добавить функцию «распределения нагрузки»? Или это технологически сложно?

Дан: Все зависит от системы управления экзоскелетом. Некоторые смогут это сделать, другие нет. Это можно сделать, но ровно настолько насколько позволит система управления экзоскелетом. Если отвечать коротко, это будет зависеть от того, какие показатели датчика используются для алгоритма управления экзоскелетом. Если алгоритм управления экзоскелетом не может распознать и определить источник биологической активности в суставах в результате сокращения мыщц, то любая активность со стороны пользователя будет мешать работе блока управления.

Джин: Существуют ли экзоскелеты, которые, с вашей точки зрения, могли бы осуществить эту функцию «распределения нагрузки»? Если да, то, какие?

Дан: Сложно сказать, потому что мало информации о системах управления экзоскелетами. Однако, из того, что известно, экзоскелеты eLegs, HAL и Honda могли бы распределять нагрузку между экзоскелетом и его владельцем.

Джин: В настоящее время у большинства экзоскелетов есть рюкзак. Это в основном из-за батарей? Что еще лежит в рюкзаке? Не наметился ли прорыв в области их усовершенствования, в результате которого мы увидим облегченную модель экзоскелета, вероятно и рюкзак не будет нужен? Представляют ли батареи потенциальную опасность?

Дан: Батареи – это обычно та часть экзоскелета, которая обладает значительной массой. Технология их производства развивается, но мы еще не на уровне, когда можно говорить об идеальной энергоотдаче. Некоторые детали компьютера можно было бы положить в рюкзак, но компьютерные чипы и другая электроника становятся все меньше, поэтому их можно разместить где угодно. Батареи должны быть безопасны для большинства потребителей. Единственная проблема с ними касается эксплуатации в рабочей среде (представьте пожарных, заходящих в горящее здание) или солдат на поле боя.
Джин: На настоящий момент мне известно два вида привода (исполнительных механизмов, которые приводят экзоскелет в движение): гидравлический и электронный. Существуют ли другие приводы? Который из них являются наиболее эффективными для экзоскелета?

Дан: Для существующих экзоскелетов наиболее часто используются гидравлические и электромагнитные приводы. Однако есть экзоскелеты, которые работают на пневматических приводах, электрореологических приводах, а также на упругих пружинах, используя энергию упругой деформации. В настоящее время существует тенденция разработки гибридного привода, который может сочетать свойства нескольких приводов. Каждый из приводов имеет свои преимущества и недостатки, поэтому гибридные приводы могут преодолеть недостатки отдельных исполнительных механизмов. Кроме того, в разработке находится множество других приводов, которые будут готовы к применению через 10 и более лет (для их изготовления будут использовать сплавы с памятью формы, появятся пьезоэлектрические приводы и т.д.). Эффективность — это очень специфический параметр для привода (механическая энергия, производимая приводом делится на энергию, потребляемую приводом), а эффективность не всегда является наиболее важным фактором, определяющим удачное функционирование привода. От устройства управления также зависит, какой привод лучше подходит экзоскелету. Например, для тех устройств, которые имеют функцию распределения нагрузки, лучше всего подойдет податливый исполнительный механизм, свойственный пневматическим приводам. Для других устройств управления важна точная регулировка, поэтому для них больше подойдут гидравлические приводы.

Джин: Принимая во внимание тот факт, что экзоскелеты только начинают поступать в продажу, а также то, что их цена гораздо выше той, которую могли бы заплатить люди на инвалидных креслах, как вы думаете, будут ли экзоскелеты доступны для них в краткосрочной перспективе (2-5 лет), в средний срок (5-10 лет) или мы должны рассматривать долгосрочную перспективу (10 + лет)?

Дан: Это определенно долгосрочная перспектива. Даже те экзоскелеты, которые широко освещались в средствах массовой информации, не достигли желаемых рабочих характеристик, необходимых для свободной продаже на рынке.

Джин: Можете ли вы рассказать о тех проектах с экзоскелетами, над которыми вы работаете?

Дан: Основная цель моего исследования роботизированных экзоскелетов – это выявить общие принципы взаимодействия человека и механического помощника при передвижении. Основная задача, которую мы ставим перед собой в лаборатории, состоит не в создании коммерческой продукции, для нас важно провести научное исследование с участием роботизированных экзоскелетов, чтобы выявить что мешает, а что помогает человеку при ходьбе и беге. Если мы выясним, какие изменения в метаболизме, биомеханике и нейрофизиологии происходят у человека в результате механического воздействия роботизированного экзоскелета, то мы сможем предложить решения для создания лучших роботов, которые действительно принесут пользу.

Доктор Феррис является доцентом кафедры изучения движения и кафедры биомедицинской инженерии в Университете штата Мичиган. Он также является членом программы Neuroscience для аспирантов и старшим доцентом кафедры физиотерапии и реабилитации. Он получил степень бакалавра по математике в университете Центральной Флориды, степень магистра по физиологии упражнений в университете Майами, а также докторскую степень по биодинамике человека в Университете Калифорнии, Беркли. Он защитил докторские диссертации и получил стипендии на кафедре неврологии Калифорнийского университета и на кафедре электротехники Университета Вашингтона и, начиная с 2001 года, преподает в Университете штата Мичиган в Анн-Арборе. Он занимается изучением биомеханической и нервной регуляции в процессе движения человека, в частности, его интересует разработка основных научных принципов и методов восстановления походки после неврологических повреждений.

Категория: Продвижение | 1 Комментарий »

Комментарии