Человеку решили вернуть хвост: как работает необычное изобретение японских учёных

В 2019 году японские учёные представили необычное изобретение — роботизированный хвост, который крепится к пояснице человека и помогает удерживать равновесие. Предполагалось, что такое устройство пригодится пожилым людям, которым трудно сохранять устойчивость, а также работникам, вынужденным переносить тяжёлые грузы.

Разработку назвали «Арке». Её создали исследователи Университета Кэйо Дзюнъити Набэсима, Ямен Сараидзи и Кота Минамицава. Вместо привычной трости или ходунков они предложили использовать принцип, который давно существует в природе: подвижный хвост, позволяющий животным лучше контролировать положение тела.

Принцип работы устройства довольно прост. Когда человек наклоняется в одну сторону, роботизированный хвост отклоняется в противоположную. Благодаря этому он должен помогать компенсировать смещение веса и сохранять устойчивость. Как объяснял Набэсима, хвост поддерживает равновесие подобно маятнику.

Само устройство выглядит как длинный серый хвост, состоящий из нескольких подвижных сегментов. Его закрепляют на талии с помощью специального крепления. По данным агентства Reuters, длина прототипа составляла около метра, тогда как издание New Atlas указывало 71 сантиметр при массе 1,6 килограмма. Длину и вес конструкции можно было регулировать под конкретного человека.

За движение отвечают четыре искусственные мышцы, работающие на сжатом воздухе. Они позволяют хвосту отклоняться в восьми направлениях. Каждый сегмент конструкции состоит из четырёх защитных пластин, окружающих центральный элемент с регулируемым весом. Пластины соединены эластичными шнурами, а пружины связывают их с центральной частью и помогают выдерживать нагрузки при движении.

Для поддержания равновесия исследователи предполагали использовать дополнительные датчики на туловище человека. Система должна была определять положение центра тяжести и на основании этих данных управлять движением хвоста.

Однако у прототипа существовало важное ограничение. Искусственным мышцам требовался сжатый воздух, который подавался от компрессора. Поэтому устройство ещё не могло работать полностью самостоятельно.

Интересно, что при создании хвоста японские инженеры опирались сразу на два исследования животных.

Первое было опубликовано в 2016 году и посвящалось бородатым капуцинам — обезьянам, которые способны переносить каменные орудия, передвигаясь на двух ногах. Учёные изучали положение их туловища и конечностей, перемещение центра массы и воздействие различных сил на тело.

Выяснилось, что при переноске тяжестей обезьяны сгибают тазобедренные и коленные суставы, причём особенности их позы зависят от массы тела. Анализ также показал, что хвосты помогают капуцинам удерживать равновесие во время таких перемещений.

Вторым источником вдохновения стали морские коньки. В исследовании 2015 года учёные изучили необычное строение их хвостов, состоящих из сегментов с квадратным поперечным сечением.

Чтобы понять преимущества такой конструкции, исследователи напечатали на трёхмерном принтере модели хвостов с квадратными и круглыми сегментами. Затем их сгибали, скручивали и сдавливали, проверяя прочность и подвижность.

Оказалось, что квадратная конструкция хорошо подходит как для захвата предметов, так и для сопротивления сжатию. Под нагрузкой её пластины скользят относительно друг друга, тогда как круглые элементы могут ещё и поворачиваться.

При испытаниях на сдавливание квадратные сегменты поглощали больше энергии до разрушения. Даже повреждённые, они сохраняли свою первоначальную форму. Круглые же сегменты деформировались, превращаясь в овалы.

Эти особенности заинтересовали японских инженеров и повлияли на устройство роботизированного хвоста.

Причём помогать людям удерживать равновесие было не единственным предполагаемым применением разработки. Исследователи также предложили использовать её в виртуальной реальности.

Например, если в виртуальном мире на человека обрушивается сильный порыв ветра, хвост может создать соответствующее физическое воздействие на тело. Благодаря этому пользователь не только увидит происходящее через очки виртуальной реальности, но и почувствует действие воображаемой силы.

Важным преимуществом такой системы исследователи считали отсутствие необходимости закреплять её на неподвижной внешней опоре. Все воздействия передаются непосредственно через устройство, установленное на теле человека. Правда, проблема с необходимостью подачи сжатого воздуха при этом сохранялась.

На момент презентации в 2019 году разработка оставалась лабораторным прототипом. Учёные продолжали совершенствовать гибкость хвоста и рассчитывали в дальнейшем изучить возможности его применения для помощи пожилым людям и работникам, переносящим тяжести.

Что произошло с проектом за последующие семь лет, достоверно неизвестно. Разработчики не ответили на запросы журналистов о его нынешнем состоянии.

Результаты первоначальной работы были опубликованы в сборнике научных постерных докладов конференции ACM SIGGRAPH 2019.