Имитирующий мышцы спины экзоскелет снизит нагрузку на позвоночник при поднятии тяжестей

Инженеры из Южной Кореи разработали экзоскелет BBEX, который предназначен для снижения риска травм спины при поднятии тяжестей. Экзоскелет надевается на спину и закрепляется на теле и ногах ремнями и тросами. Его конструкция имитирует работу мышц позвоночника, обеспечивая дополнительную силовую поддержку при наклонах вперед, вбок и скручиваниях. В испытаниях с участием людей робопозвоночник продемонстрировал способность снижать нагрузку на мышцы позвоночника, не ограничивая при этом естественную амплитуду движений. Статья опубликована в журнале Science Robotics.

В последние годы экзоскелеты, помогающие человеку выполнять физическую работу, приобрели популярность как средство снижения нагрузки на опорно-двигательный аппарат. Экзоскелеты для поддержки спины при подъеме тяжестей, в частности, испытывают в некоторых отраслях и показывают снижение риска получения травм у рабочих. Подобные устройства, к примеру, разрабатываются компаниями Panasonic, SuitX, German Bionic и множеством других. Однако большинство разработанных на сегодняшний день моделей имеют существенное ограничение — они не дают достаточной поддержки позвоночнику при асимметричных нагрузках, например, при наклонах вбок или скручиваниях, хотя такие движения часто встречаются в реальных рабочих условиях.

Инженеры под руководством Пак Ён Рэ (Yong-Lae Park) из Сеульского национального университета разработали экзоскелет под названием BBEX (Bilateral Back Extensor Exosuit), который лишен этого недостатка. BBEX вдохновлен анатомическими особенностями позвоночника и имитирует работу мышц, расположенных вдоль него. Он состоит из нескольких ключевых компонентов: элементов крепления со спиной, ногами и грудью, четырех имитирующих позвонки модулей, расположенных между ними линейных актуаторов, а также соединяющих актуаторы шаровых шарниров, которые передают вращение от электромоторов между актуаторами, сохраняя при этом гибкость конструкции. Общий вес конструкции составляет 5,75 килограмма.

Линейные актуаторы используют механизм винтового скручивания для превращения вращательного движения в линейное. Сила, которую они развивают, пропорциональна их удлинению, что позволяет экзоскелету эффективно компенсировать снижение силы мышц при наклонах туловища, так как мышцы, в отличие от актуаторов, менее эффективны, когда растянуты. Всего в BBEX используется шесть таких актуаторов, в двух группах по три модуля, установленных вдоль спины симметрично относительно центральной оси позвоночника и соединенных между собой с помощью шаровых шарниров. Вращение на них передается от расположенных в нижней части устройства двух электромоторов.

В ходе испытаний, в которых приняли участие 11 человек, инженеры оценили эффективность BBEX при выполнении симметричных (в одной плоскости) и асимметричных (с отклонением туловища в бок) подъемов груза весом 5,5 килограмма. Результаты показали, что экзоскелет не ограничивает естественную амплитуду движений и обеспечивает достаточную поддержку в соответствии с текущей позой, в том числе при асимметричных нагрузках. Для оценки мышечной усталости исследователи использовали электромиографию, а независимую оценку текущей позы проводили с помощью внешней системы захвата движения.

BBEX смог снизить усталость мышц-разгибателей спины, особенно при асимметричном подъеме. При этом экзоскелет не повлиял на усталость мышц ног. Анализ кинематики тела показал, что подопытные с BBEX при боковых ассиметричных нагрузках стали больше использовать движения в поясничном отделе позвоночника, чем движения ног. Это указывает на то, что пользователи адаптировались к экзоскелету и изменили свою технику подъема, чтобы эффективнее использовать его поддержку для снижения нагрузки на мышцы ног. Анализ нагрузки на позвоночник показал, что BBEX снижает пиковые силы сжатия во всех его отделах в среднем на 11-17 процентов. Это связано с тем, что экзоскелет действует как вторые мышцы спины и создает дополнительный момент силы с меньшим усилием, чем мышцы человека, благодаря большему плечу.

В будущем инженеры планируют повысить точность оценки положения тела, увеличив количество сенсоров, улучшить систему крепления к ногам, а также оптимизировать профиль силовой помощи с учётом динамики движений. Кроме того, планируется провести долгосрочные испытания, чтобы оценить влияние BBEX на организм при длительном использовании и степень привыкания пользователей.

Помимо экзоскелетов, которые помогают поднимать более тяжелые предметы, существуют модели, увеличивающие динамические характеристики пользователя. Недавно южнокорейские инженеры представили прототип мягкого экзоскелета для ног, который помогает повысить скорость бега за счет увеличения числа шагов.