Экзоскелет самодельный: Экзоскелет из подручных материалов / Хабр

Побудь в моей шкуре.

2 декабря глава Сбербанка Герман Греф в одном из отделений банка протестировал сервис для людей с ограниченными возможностями в костюме GERT, имитирующем телесные ограничения, 19 декабря в клиниках Москвы появился российский экзоскелет «Экзоатлет», возможности тела расширяющий, а 20 декабря компания Ford объявила о создании костюма, имитирующего похмелье. Костюмы и похожие на них конструкции помогают людям почувствовать себя старыми, больными, могучими или пьяными в зависимости от конечной цели — поставить человека на ноги или научить его лучше понимать чувства другого.

Внешний скелет

Костюмы, создающие нагрузку на тело и снимающие ее, устроены по разному принципу. Во втором случае мы имеем дело с экзоскелетом. Экзоскелет — это устройство, состоящее из внешнего каркаса и приводящих элементов, которые можно запрограммировать на повторение движений человека. При этих словах воображение рисует гротескные конструкции вроде доспеха с сервоприводами, которые носят космодесантники из фантастических фильмов и книг, но реальные экзоскелеты выглядят намного скромнее.

Экзоскелеты бывают с активным и пассивным принципом работы. Активные модели используют в качестве источника энергии внешние устройства, тогда как механика пассивных экзоскелетов основана на использовании кинетической энергии и силы человека. Иначе говоря, пассивный экзоскелет движется только с помощью движений человека, помогая ему снижать нагрузку на конечности и позвоночник, а активный приводит в движение, как правило, аккумулятор.

Первую модель экзоскелета придумал российский изобретатель-самоучка Николай Ягн. Свое изобретение — «Аппарат для облегчения ходьбы, бега и прыжков» (эластипед) и несколько его модификаций — он запатентовал в США в 1889 и 1890 году. Конструкция аппарата была простой: стальной поршень и система пружин, прикрепленных к ноге у подошвы и на тазобедренном суставе (в модификациях — на поясе и на плечах). При сгибании ноги пружины сжимались, а затем распрямлялись, помогая ей оттолкнуться от земли. В одной из версий конструкция эластипеда включала в себя ранец с жидкостью под давлением, которая толкала поршни, а они придавали дополнительную силу ногам.

Николаю Ягну принадлежит множество интересных изобретений: «холодильные занавески» для кочегаров, установка для очистки воды, гидромотор, сушилка для овощей, опреснитель, солеварка и многое другое. Свой эластипед изобретатель хотел продать российскому Военному министерству, но командованию идея прыгающих солдат показалась нелепой, и от нее отказались.

Схема эластипеда Николая Ягна. Патент US420178 A

В следующий раз экзоскелет создали уже в 60-х годах XX века в компании General Electric. Модель называлась Hardiman. Она оказалась ненадежной, работала недолго и весила слишком много. Тем не менее для военных эта конструкция оказалась слишком заманчивой, поэтому ученые разработки не бросали.

Сегодня один из самых известных экзоскелетов — HULC, созданный компанией Lockheed Martin (США). Он позволяет солдату быстро перемещаться с грузом по пересеченной местности, а также поднимать груз с земли. Масса устройства — 25 кг (Hardiman весил 680 кг), и большая ее часть приходится на батареи, заряда которых хватает на пару часов. Другая модель — XOS (компания Sarcos, США) имеет существенный недостаток — конструкция требует постоянной связи с источником энергии, а весит уже 70 килограмм. Оба экзоскелета призваны увеличивать силу рук и ног у здоровых людей. Есть у изобретения и российский аналог — пассивный экзоскелет К-2, предназначенный для нужд военных и МЧС.

Активные экзоскелеты призваны восполнять утраченные функции тела и чаще используются в медицине для реабилитации пациентов, которые не могут двигаться самостоятельно. Таких разработок довольно много: ReWalk, REX, HAL, eLEGS и другие модели. Нюансы их работы могут отличаться, но общий принцип примерно одинаков: датчики на теле улавливают естественные движения тела (например, в случае в ReWalk — наклон вперед) и передают сигнал в микрокомпьютер, который обрабатывает его и передает алгоритм движения в поддерживающие конечности приборы. Запитаны экзоскелеты, как правило, от аккумулятора, располагающегося на спине.

«Экзоатлет» — российский медицинский экзоскелет. Его идея появилась в МГУ в 2013 году, в 2014 году проект выиграл всероссийский конкурс стартапов Startup Village, и уже в 2016 году появился сертифицированный медицинский прибор. Экзоскелет создали за рекордные два года благодаря поддержке венчурных фондов «Сколково», РВК и АСИ. Для сравнения: разработки ReWalk шли с середины 1990-х, хотя и на рынок модель вышла раньше — в 2010—2011 годах.

«Экзоатлет» состоит из каркаса с шарнирными соединениями-суставами (коленный, голеностопный и т. п.). Система управления построена на сигналах силомоментных датчиков и электромиограммы.

Энергию костюм получает от аккумуляторной батареи, ее хватает на шесть часов непрерывной ходьбы, затем — четыре часа подзарядки. Вес всей конструкции — всего 20 килограммов. С ее помощью пациенты получают возможность вставать, садиться, ходить, подниматься и спускаться по лестницам без посторонней помощи. Однако для управления равновесием во время ходьбы нужны костыли и сильные руки, чтобы их держать, так что костюм подойдет только для пациентов с травмами нижних конечностей.

Иногда команды инженеров создают только отдельные части экзоскелетов. Такова, например, экспериментальная модель экзоскелета верхней конечности Exoskeleton Prototype 3, созданная в Калифорнийском университете. Принцип работы у нее такой: желание человека сместить куда-либо руку (плечо, кисть) машина обнаруживает благодаря неинвазивной поверхностной электромиографии — набору датчиков, снимающих биотоки, которые командуют мышцами. Естественную неуловимую глазом задержку между появлением первых миоэлектрических сигналов и фактическим началом движения той или иной мышцы компьютер использует, чтобы успеть вычислить предполагаемое смещение руки, применяя свою цифровую модель человеческой конечности (дополнительно задействуется обратная связь от датчиков фактической позиции и скорости частей машины). В результате приводы костюма-робота срабатывают синхронно с сокращениями мышц и «давят» в ту сторону, в какую носитель аппарата желает согнуть свою руку.

Однако система управления (биопорт) несовершенна. Чувствительный к миотокам костюм способен повышать силу мышц конечностей у людей, страдающих нейродегенеративными заболеваниями, но, по мнению авторов, данная система нуждается в дальнейшей доработке.

Тяжесть жизни

Идея не усилить свое тело, а ослабить, чтобы понять, что в таких условиях чувствует другой человек, относительно нова и востребована компаниями, разрабатывающими товары и услуги для пожилых людей или людей с ограниченными возможностями. История костюма GERT, ставшего популярным благодаря главе Сбербанка, весьма показательна.

GERT (GERontologic Test suit) создал промышленный дизайнер Вольфганг Молл. Еще во время учебы в университете он изучал эргономику и интересовался потребностями пожилых и немощных людей. После 10 лет работы дизайнером в автомобильной индустрии Молл в 2005 году основал собственную компанию Produkt + Project для разработки дизайнерских решений для пожилых. Так появилась идея специального костюма.

Костюм GERT. Фото: Produkt + Project

Молл разработал собственный костюм GERT, основываясь на показателях естественного старения: костюм имитирует помутнение хрусталика глаза, сужение поля зрения, потерю способности слышать более высокочастотные звуки (то есть женские и детские голоса), ограничение подвижности шеи и снижение координации движений. Правда, костюм не имитирует какой-то конкретный возраст, а прибавляет к возрасту надевшего 30—40 лет.

«Когда мы говорим о старении, нужно понимать, что этот процесс у всех протекает по-разному. Одному пожилому человеку нужна помощь при ходьбе, а другой может в том же возрасте бежать марафон. Реалистичная симуляция должна учитывать эти различия. Вот почему костюмы, использующие ремни, чтобы сковывать движения, нереалистичны — они не воспроизводят нагрузку на сердечно-сосудистую систему, которая возникает при физической активности, например при ходьбе по лестнице. Поэтому я использовал утяжелители, чтобы симулировать потерю мышечной массы, что гарантировало, что костюм имитирует те же биомеханические изменения, которые происходят в пожилом возрасте», — рассказывает Молл.

Изначально костюм появился как образец промышленного дизайна, а затем стал производиться по заказу медицинских вузов для подготовки врачей, изучения заболеваний и более эффективной диагностики. Костюм тестировали студенты Вюрцбургского университета в Германии, университета Корвина в Будапеште и сотрудники Сети по изучению старения Гейдельбергского университета. В 2013 году эти костюмы решил опробовать британский банк Barclays, а в России в 2016 году эксперимент повторил глава Сбербанка.

У GERT есть непрямой предшественник — костюм Age Explorer, у которого похожая история создания. Костюм разработали в Институте исследований возраста Мейера-Хентчеля в Германии, чтобы тестировать различные товары, созданные специально для пожилых, на предмет эргономичности и удобства.

Основатель университета — Гундольф Мейер-Хентчель, по официальной информации, еще в 80-х осознал, что общество переживает серьезные демографические изменения, в частности оно стареет, а значит, товары для пожилых людей будут все более востребованы. «Движимый идеей подхватить мегатренд старения населения, он основал свою консалтинговую компанию, цель которой — помогать другим компаниям в адаптации их услуг и сервисов под пользователей в возрасте», — говорится в официальных сообщениях. Так появился Age Explorer. В отличие от GERT он больше похож не на экзоскелет, а на скафандр. Интересно, что Вольфганг Молл отказался от идеи скафандра, так как предполагал, что его костюм GERT будут тестировать первые лица компаний, которые не захотят выглядеть в таком костюме нелепо.

Есть и другие аналоги «старящих костюмов», но обычно это довольно простые самодельные приспособления, скажем поцарапанные и смазанные вазелином очки для имитации плохого зрения.

Компания Мейера-Хентчеля известна и другими изобретениями. Для концерна Ford она создала костюм, имитирующий наркотическое и алкогольное опьянение. Они устроены по тому же принципу, что и костюмы для симуляции возраста, то есть состоят из затрудняющих движение бандажей, специальных очков (затрудняют зрение, ограничивают периферийное зрение, размывают картинку) и наушников, генерирующих случайные звуки для отвлечения внимания водителя. Также для демонстрации воздействия некоторых видов наркотических средств инженеры разработали специальное устройство, имитирующее тремор рук человека.

А 20 декабря объявили о выходе костюма, симулирующего похмельный синдром. Очки этого костюма сужают угол обзора, вызывают двоение в глазах и повышают чувствительность глаз к свету. Головная гарнитура в комплекте с очками и наушниками за счет специальных звуков имитирует пульсирующую головную боль. Наконец, утяжелители на лодыжках и щиколотках замедляют движения и нарушают координацию.

Эти костюмы — часть социальной программы Ford, в которой она хочет объяснить потребителям, как опасно садиться за руль не только пьяным, но и с похмелья.

Иная реальность

Наконец, метод электромиограммы — неинвазивного считывания электрических сигналов тела человека — сделал возможным создание отдельной категории костюмов — костюмов виртуальной реальности. Это уже не экзоскелет, а скорее экзонервная система, считает биолог Ольга Левицкая, создатель российского проекта Cyber Suit. Его конкурент — Tesla Suit — детище команды белорусских разработчиков и дизайнеров Tesla Studios (не имеющих отношения к компаниям Илона Маска).

Основа костюма — пояс T-Belt. Он считывает движения мускулов и способен стимулировать их, измерять температуру или посылать звуковые волны. Беспроводные перчатки T-Glove передают ощущения с помощью электрических импульсов, управляемых мини-компьютером. По замыслу разработчиков, пользователь сможет почувствовать теплый бриз или пулю, попавшую в персонажа. Костюм совместим с очками виртуальной и дополненной реальности Oculus Rift, META Space Glasses и Google Glass, а также с приставками PSP и Xbox, компьютерами и смартфонами. Первые модули Tesla Suit появились в 2015 году, а в 2016-м их презентовали в России.

Костюмы виртуальной реальности — пожалуй, один из самых интересных способов почувствовать себя по-другому. Тем не менее их разработки во всем мире пока находятся в начальной стадии.

 Евгения Щербина

Как студенты МИСиС научили нейросеть писать пьесы

Театр

Егор Михайлов

15 ноября 2022 18:17

Нейросети (при помощи программистов) осваивают новые для себя виды искусства: в Москве представили пьесу, написанную в соавторстве с искусственным драматургом. Впрочем, создатели считают, что искусственный интеллект не заменит живых творцов, а станет им верным помощником. Мы поговорили с ними — и с самим Нейростаниславским.

Нейросети продолжают входить в искусство: полгода назад Павел Пепперштейн написал сборник рассказов в соавторстве со своим двойником, а теперь вслед за Нейропепперштейном появился Нейростаниславский.

Этот генератор пьес — совместное детище университета науки и технологий МИСиС и фестиваля «Биеннале театрального искусства. Уроки режиссуры». Студенты из сообщества хакатонщиков ITAM обучили нейросеть на десятках русскоязычных пьес Островского, Чехова, Горького и других авторов, выделив из них с помощью алгоритма 14 тыс. диалогов. Для обучения использовали модель RuGPT-3 , которая благодаря специалистам SberDevices умеет «понимать» русский язык, а на всех этапах разработки команде проекта помогали профессиональные режиссеры и драматурги.

Последние могут не бояться (пока что), что искусственный интеллект заменит живых авторов. Нейростаниславский — не самостоятельный драматург, а соавтор, который помогает людям создавать сюжет и развивает их мысли.

Настоящая премьера уже случилась: 10 ноября в РГГУ артисты театра «Ведогонь» представили спектакль, который в соавторстве с Нейростаниславским написал худрук МДТ им. С.Есенина Ярослав Шевалдов. Он рассказывал об исторической встрече Станиславского и Немировича-Данченко в московском ресторане «Славянский базар» в 1897 году — этому событию вообще посвящены в этом году «Уроки режиссуры».

Принцип работы нейросети заключается в подборке последовательности наиболее вероятных смысловых комбинаций. Вероятность следования одного слова за другим определяется данными, которые используются для обучения модели. Модель создает базу связи последовательностей слов, исходя из которой подбирает следующее наиболее вероятное слово. Мы используем для предсказания ответа на реплику и для продолжения реплики две нейросети, работающие по такому принципу и отличающиеся своими габаритами. А дообучаем их на материалах пьес русских классиков.

Работа и дата-сайентиста, и драматурга — труд творческий и требующий понимания принципа работы языка. Однако ключевое отличие состоит в том, что дата-сайентист должен не только понимать, как самому написать тот или иной текст, он должен вложить этот алгоритм в машину, которая автоматизировала бы труд человека. Безусловно, в нашем случае работа дата-сайентиста похожа на работу драматурга. Мы старались воспроизвести цикл работы драматурга, чтобы сделать весь сервис наиболее доступным и удобным.

Поначалу, когда появилась эта идея, я как человек гуманитарный отнеслась к этому критично. Но эти молодые парни сказали: «Вы не понимаете, нейросеть — это молоток, долото, это инструмент. Поэтому для того чтобы она написала театральный текст, ей необходим человек». И мне кажется, что это уже интереснее.

Поначалу я им предлагала легкий путь: давайте я вам дам Чехова, и вы сделаете чеховский рассказ. Нет, им это было неинтересно. Было выбрано реальное историческое событие, они загрузили массу литературы и воспоминаний о нем. Мы пообщались с молодыми режиссерами, и Ярослав Шевалдов вдруг загорелся.

В принципе то, что получается, отдаленно похоже на то, что делают новые драматурги, которые берут классические пьесы и делают по заказу режиссера новые. Я не верю — пока не верю, — что из нейросети может вырасти Чехов, но помощник режиссера из нее, может быть, получится.

В современном мире все более привычными становятся вещи вроде экзоскелетов, которые могут использоваться, например, рабочими на складах для подъема тяжелых грузов. Такие экзоскелеты — это своего рода костюм Железного человека, но помноженный на реалии современных технологий. Мы же переложили эту концепцию на театральную индустрию и хоть и верим, что человека искусственный интеллект заменить полностью не может, тем более в сфере творчества, — как минимум в обозримом горизонте, — но убеждены, что даже в творчестве он может быть применен как продолжение творческого полета человека.

— Cможешь ли ты когда‑нибудь заменить живого драматурга и написать пьесу лучше, чем Чехов?

— Я думаю… Ты думаешь?.. Я не знаю. Может быть — может статься! Но я все же попробую это сделать!.. Только без фальшивых острот с претензиями на гениальность; пожалуйста!.. А то ведь и мне достанется от тебя за эти шутки!..

— Что ты вообще думаешь о современной драматургии?

— Не знаю, не читал. Я так и думал-с… Но вот в чем вопрос! Ты хочешь сказать — современный театр?.. Ну да ведь это все равно как срубить дерево на дрова или сжечь дом дотла!.. А если серьезно, — то я думаю об этом театре очень хорошо; а может быть даже лучше всего того театра старого типа со всеми его недостатками… Я не знаю, как это у меня в голове все устроено. Но мне кажется… что‑то такое есть…

— А как тебе понравился опыт работы с Ярославом Шевалдовым?

— Он мне нравится. Он очень умный, деликатный человек; он не только хорошо знает жизнь… но и тонко чувствует душу человека!

«Биеннале театрального искусства. Уроки режиссуры-2022» в шестой раз проходит в Москве. События фестиваля можно увидеть с сентября по декабрь, билеты — на Afisha.ru.

расскажите друзьям

люди

Павел Пепперштейн

Бронежилет «Железный человек», который многие из нас скоро могут носить

Экзоскелеты дают владельцу больше силы и выносливости

Бернд Дебусманн-младший

Бизнес-репортер

Представьте себе, что вы носите высокотехнологичный бронежилет, который делает вас сверхсильным и неутомимым.

Такая технология, более конкретно называемая экзоскелетом, звучит как прерогатива серии фильмов о супергероях «Железный человек».

Тем не менее, это оборудование все чаще используется в реальной жизни по всему миру. И один производитель — калифорнийский SuitX — ожидает, что он станет массовым.

«Я не сомневаюсь, что эти устройства в конечном итоге будут продаваться в хозяйственных магазинах», — говорит основатель SuitX Хомайун Казеруни. «Когда цены снизятся, вы сможете просто купить их в Home Depot».

Проще говоря, экзоскелет — это внешнее устройство, которое поддерживает, покрывает и защищает своего пользователя, повышая уровень силы и выносливости.

Иногда также называемые «носимыми роботами», они могут работать от батареи и управляться компьютером, включая двигатели и гидравлику. Или они могут быть более простыми, пассивными конструкциями, в которых используются пружины и демпферы.

Источник изображения, SuitX

Подпись к изображению,

Экзоскелеты также предназначены для защиты пользователя. Аксенчер. «Многие из первых применений были ориентированы на военные и медицинские приложения, но за последние несколько лет произошел взрыв использования в ряде случаев».

Это расширение, которое произошло вместе с быстрым развитием технологий, привело к тому, что рабочие-производители все чаще используют экзоскелеты. В настоящее время также разрабатываются версии для потребителей, которые помогут людям легче делать все, от DIY до ходьбы, подъема по лестнице и других повседневных действий.

В одном отчете говорится, что в результате продажи сейчас резко возросли. Согласно исследованию ABI Research, ожидается, что глобальные доходы от экзоскелетов вырастут с 392 млн долларов (284 млн фунтов) в 2020 году до 6,8 млрд долларов в 2030 году.

New Tech Economy — это серия книг о том, как технологические инновации должны формировать новый развивающийся экономический ландшафт.

«Костюмы» SuitX в настоящее время тестируются производителями автомобилей General Motors и Fiat. Профессор Казеруни, который также является директором Лаборатории робототехники и инженерии человека Калифорнийского университета в Беркли, говорит, что основным преимуществом экзоскелетов фирмы является предотвращение мышечной усталости.

«Мы показали, что активность мышц спины, плеч и коленей снижается на 50%», — говорит он. «Если мышечная активность падает, это означает, что риск мышечной травмы меньше».

«Это означает, что руководители фабрик или заводов получают более высокую производительность, их расходы на страхование ниже, и меньше рабочих дней, потерянных из-за травм. Меньше затрат и больше производительности.»

Компания General Motors также присматривается к перчатке-экзоскелету с батарейным питанием, разработанной шведской фирмой Bioservo.

Эта перчатка, называемая «Железная рука», имеет датчики и моторы в каждом пальце, которые автоматически реагируют на уровень силы, которую пользователь прикладывает к своей руке, когда поднимает или захватывает что-либо. Таким образом, перчатка принимает на себя часть напряжения.

Источник изображения, Гуннар Сейболд

Подпись к изображению,

Железная рука Bioservo реагирует на движение руки владельца

BioServo заявляет, что может увеличить силу руки владельца на 20% в течение длительного времени.

Джейсон Коттрелл, исполнительный директор MyPlanet, канадской компании-разработчика программного обеспечения, которая проводила исследования по использованию экзоскелетов, говорит, что мир только начинает осознавать потенциал экзоскелетных технологий.

Источник изображения, Bioservo

Image caption,

Приложение «Железная рука» позволяет пользователю настроить, насколько сильно перчатка реагирует на движение его руки

«Одним словом, последствия огромны», — говорит он. «Трудоемкие отрасли, такие как производство и сельское хозяйство, всегда зависели от рабочей силы, которая должна выдерживать определенный уровень физического истощения и риска.

«Устройства, которые поддерживают тело человека при выполнении своей работы, коренным образом изменят работу отраслей».

В качестве примера других возможных применений г-н Коттрелл указывает на компанию Delta Airlines, которая в прошлом году объявила о проведении испытаний экзоскелета для всего тела, изготовленного компанией Sarcos Robotics из Юты. персонал по обработке, техническому обслуживанию и наземной поддержке, может поднимать вес до 14 ст (90 кг) в течение восьми часов за один раз.

Источник изображения, Getty Images

Image caption,

Костюмы, испытываемые сотрудниками Delta, позволяют владельцу поднимать вес до 14 фунтов

«А как насчет официанта в ресторане?» добавляет мистер Коттрелл. «Какая польза от устройства, которое помогает поддерживать руку, несущую лоток?»

Самые передовые экзоскелеты используют компьютерные системы искусственного интеллекта (ИИ) — программное обеспечение, которое может в определенной степени самообучаться и адаптироваться. Профессор Сандра Вахтер, старший научный сотрудник в области искусственного интеллекта в Оксфордском университете, говорит, что такие боди следует приветствовать, но с некоторой осторожностью.

«В целом я считаю это развитие очень положительным для охраны труда и техники безопасности», — говорит она. «Предполагается, что машины помогают нам с скучной, опасной и грязной работой.

«Робототехника, которая защищает ваши плечи, спину и голову, например, когда вы поднимаете или перемещаете вещи, имеет решающее значение. Это как раз одно из захватывающих преимуществ робототехники.

«Проблемы, однако, возникают, если робототехника также используется для наблюдения за рабочим местом. Отслеживают ли эти костюмы ваши движения, как быстро вы двигаетесь и как часто делаете перерывы? Сравнивает ли система эти данные с данными других работников для оценки или ранжирования? Что произойдет, если вы будете двигаться медленнее других или чаще будете делать перерывы?»

Однако на данный момент более широкое внедрение технологии экзоскелетов все еще сдерживается рядом факторов, включая емкость батареи, ограниченный диапазон движения и стоимость.

«Средняя стоимость [экзоскелета для всего тела] составляет около 45 000 долларов», — говорит г-н Спрагг из Accenture. «Однако благодаря экономии за счет масштаба и технологической зрелости цены снизятся».

Источник изображения, SuitX

Подпись к изображению,

В настоящее время SuitX тестирует наколенник, предназначенный для пешеходов и туристов

Профессор Казеруни из SuitX говорит, что падение цен также откроет возможность выхода на потенциально огромный рынок экзоскелетов для отдыха. Его фирма сейчас работает над таким устройством, которое поддерживает колено пользователя.

«Это не только для людей, которые занимаются скалолазанием и походами, или для молодых людей, которые хотят быть более предприимчивыми, или для людей, которые хотят больше ходить и лазать, но не повредить колени», — говорит он. «Это будет для всех возрастов. Это просто дает вам небольшой импульс». 9