Описание разработки:
Экзоскелет – устройство, одеваемое на человека, берущее на себя функции опорно-двигательного аппарата, служащее для увеличения выходного усилия и восполнения утраченных функций
Отличительной особенностью данной разработки от аналогов является использование эффекта памяти формы сплава нитинола для движения экзоскелета.
Процесс движения искусственных мышц экзоскелета происходит за счет нагревания электрическим током сплава нитинола до температуры срабатывания памяти формы.
Нитинол — сплав никеля и титана, который имеет эффект памяти формы. После деформаций он может восстанавливать свою первоначальную форму без изменений до 30 000 000 раз. Скорость восстановления памяти формы зависит от вольт-амперных характеристик подаваемого на него тока и может составлять доли секунды. Также нитинол является биосовместимым сплавом для человека и широко используется в хирургической практике в качестве имплантатов, что охарактеризовывает его как абсолютно безопасным сплавом для человека.
К пластине NiTi, имеющей память формы в виде изогнутой посередине на 45 градусов пластины, прикладывается деформирующая ее до прямой пластины сила Е1. При этом пластина имеет температуру 21 градус. После чего на пластину подается электрическая энергия Е2, которая нагревает ее до темперауры срабатывания 40 градусов. При нагреве до температуры срабатывания ЭПФ пластина нитинола стремится занять свою первоначальную форму с силой Е3. При этом сила востановления при нагреве больше силы, приложенной на пластину в холодном сосоянии Е1<Е3
Экзоскелет на основе искусственных мышц из нитинола содержит:
1.Каркас из пластиковых деталей, закрепляемых на теле человека, передающий полезную нагрузку человеку.
2.Нитиноловые проволоки в роли приводов экзоскелета с прямой первоначальной формой, которые при нагреве будут разгибать суставы, и с г-образной памятью формы, которые в свою очередь будут сгибать суставы.
3.Систему нагрева нитинола до температуры срабатывания посредством пропускания электричества через нитинол.
4.Систему водяного охлаждения нитинола путем циркуляции воды вдоль проволоки.
5.Систему управления нагрузкой (микрокомпьютер).
6.Систему датчиков.
Работа экзоскелета происходит следующим образом.
Устройство надевается на человека вдоль основных мышц, повторяя анатомические формы. По оси сгиба суставов проходят две жестко закрепленные между собой нитиноловые проволоки. Одна из проволок имеет г- образную память формы, а другая прямую. Одна из проволок деформирована относительно первоначальной формы. На деформированную нитиноловую проволоку подается электрический ток , нагревая проволоку до температуры срабатывания в 70 градусов. Нитиноловые проволоки находятся в деформированном от своего состояния относительно памяти формы до температуры срабатывания. Эффект памяти формы заставляет принять проволоку нитинола свое первоначальное положение, при этом сила возвращения в память формы больше необходимой для деформации проволоки того же сечения при температуре около 20 градусов. Это позволит деформировать относительно начального состояния проволоки жестко закрепленные элементы, при этом оставшаяся сила выполнит движение сгибания суставов человека. Затем на нагретую нитиноловую проволоку подается вода для ее охлаждения, и движение может повториться обратно в сторону разгибания, при этом нагреваться будет проволока с другой памятью формы, которая после выполнения работы проволок деформировалась относительно первоначальной формы.
Таким образом, устройство сгибается при нагреве одних проволок, а разгибается при нагреве других проволок, жестко соединенных вместе.
Достоинства экзоскелета на основе искусственных мышц их нитинола:
1)Легкий вес
2)Простота конструкции
3)Небольшая цена — до 300 000 р.
4)Высокая надежность
5)Компактность
Сферы возможного применения:
1.Медицинская –реабилитация и восполнение утраченных функций опорно-двигательного аппарата.
2.Военная – увеличение физических возможностей солдат на поле боя.
3.Гражданская – снятие нагрузки с опорно-двигательного аппарата, увеличение физической активности и работоспособности человека.
Стадия разработки:
На данный момент разработан прототип экзоскелета для локтевого сустава и запястья. Прототип подтверждает возможность реализации идеи с нитиноловыми мышцами.
Сейчас разрабатывается система охлаждения для более эффективной работы, так же разрабатывается прототип с использованием нитинола с обратимым эффектом памяти формы, который позволит увеличить выходное усилие сустава и сократить выходную цену разработки.
Наиболее перспективные аналоги:
1. ЭкзоАтлет – экзоскелет для нижних конечностей Российского производства.
Цена – от 1,5 млн. Руб
Возможность передвигаться только по идеально-ровной поверхности
Автономность около 1,5 часа
2. XOS – военный экзоскелет
Имеет собственный вес 80 кг
Позволяет поднимать вес до 90 кг
Не имеет возможности автономной работы
3. XULC – экзоскелет нижних конечностей
Автономность работы до 72 часов
Большая стоимость
4. Soft Exosuit – мягкий экзоскелет
Большая автономность работы
Небольшое выходное усилие
Удобность использования
Большая стоимость
5. HAL – японский медицинский экзоскелет
Ежемесечная аренда 17 000 $
Небольшая автономность
6. Titan Arm — экзоскелет для усиления рук
Увеличивает выходное усилие человеческих рук на 18 кг
Цена 10 000 $
Небольшая автономность
7. Универсальный общевойсковой экзоскелет
Работа экзоскелета происходит за счет искусственных мышц на основе углеродных нанотрубок
Большая стоимость
