Экзо костюмы будущего. Экзоскелет

На протяжении всей нашей истории человеку всегда не хватало силы, чтобы поднимать тяжелые предметы, обладать большей силой удара и выносливостью. Но благодаря науке и технике люди все же смогли увеличить свои силовые возможности. Так появились экзоскелеты – специальные костюмы, увеличивающие силу человека посредством внешнего каркаса.

Особенностью этих устройств является их легкость и способность механически повторять все движения человека. Согласитесь, это большое и значимое достижение в современных технологиях, которое находит применение в медицине, военных целях, в местах с радиационной опасностью, строительстве и промышленности.

С помощью экзоскелета солдат может нести больше оружия на себе, он в значительной степени защищен от вражеских пуль, быстрее и активнее в своих движениях. Поскольку основные силы костюм берет на себя, человек сохраняет больше энергии и, конечно, свое здоровье.

А подумайте только, насколько экзоскелет полезен в медицине! Это просто находка для инвалидов, которые полностью потеряли веру в то, что смогут снова ходить, а парализованные смогут двигать своими конечностями силой мысли, будучи в специальном костюме.

Поскольку экзоскелеты - устройства универсальные, их можно применять в любых отраслях жизни человека, где необходима дополнительная сила. Вы их можете встретить в научно-фантастической литературе, комиксах, видеоиграх и фильмах («Чужие», «Железный человек», «Аватар» и другие).

Несмотря на то, что экзоскелеты уже используются людьми в различных ситуациях, они все еще развиваются, требуют усовершенствования в лабораториях и стоят очень дорого. Давайте посмотрим, какой же путь прошли экзоскелеты с момента их создания и по сей день.

История развития экзоскелетов

Первым изобретателем экзоскелета является российский инженер Николай Ягн, который жил и работал в США, и в 1890-х годах запатентовал ряд технологий, которые облегчали ходьбу, бег и прыжки человека. Ягн планировал направить свои разработки в помощь военным.

В 1960-х годах компания General Electric представила миру разработку костюма Hardiman. Это устройство представляло собой модель современного экзоскелета, который мог поднимать объекты весом до 110 кг, работать на воде, суше и даже в космосе. Но при всех этих высоких стремлениях разработка так и не увенчалась успехом из-за слишком тяжелой конструкции и медленной работы.

В 1970-х годах югославский ученый Миомир Вукобратович создал экзоскелет с пневмоприводом, который должен был помочь парализованным людям снова встать на ноги. Российские и европейские ученые впоследствии брали за основу проект Вукобратовича при создании своих технологий. Так, в начале 1980-х годов появился экзоскелет для инвалидов из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова.

Нехватка энергоносителей, медленное течение научно-технического прогресса, развитие материаловедения и прочих смежных наук значительно тормозило развитие экзоскелетов. И только в 2000-х годах появились реальные достижения в этой области.

Ученые из американского агентства научно-военных исследований DARPA в 2007 году создали проект Lady Warrior. Это устройство представляло собой небронированный и невооруженный полный экзоскелет, который должен был только усиливать руки и ноги человека.

Позже в 2008 году компания Cyberdyne представила миру роботизированный костюм HAL, который отличался значительными совершенствованиями, в частности, легким корпусом, встроенным компьютером и работой от автономных аккумуляторов, заряда которых хватало на пару часов непрерывной работы. Основное предназначение экзоскелета - помощь инвалидам и парализованным людям.

В наше время развитие экзоскелетов все больше и больше набирает обороты, и такие компании, как Panasonic, Ekso Bionics, Lockheed Martin, DARPA и другие представляют ежегодно свои устройства на выставках, впечатляя все большей производительностью и технологичными новшествами.

Области применения экзоскелетов

Как вы уже знаете, основными сферами применения экзо­скелетов являются военная и медицинская. Но эти устройства весьма полезны также в таких сферах деятельности, как места с радиационной опасностью, или же при покорении океанских глубин, где робокостюм будет легче и эффективнее обычного скафандра, а также при разборе завалов после землетрясения и в строительстве.

Экзоскелеты в медицине

Роботизированные костюмы - это настоящее новшество в медицинских технологиях. Пациенты, перенесшие серьезные травмы позвоночника и конечностей, парализованные после инсульта люди могут использовать экзоскелет для улучшения качества своей жизни. Но, конечно, не все могут позволить себе такой терапевтический прибор, так как средняя стоимость медицинского экзоскелета 90 тысяч долларов США.

Мы уже упоминали об экзоскелете HAL от Cyberdyne. Его назначение - обеспечить возможность ходить людям с ограниченными возможностями. Есть два основных варианта устройства: HAL-3 и HAL-5. С момента презентации в 2011 году 130 медицинских институтов Японии приняли HAL на службу.

Новейшая модель костюма весит около 10 кг и работает на протяжении 3 часов, если нет перегрузок. Специальные датчики снимают показания с биоэлектрических сигналов, исходящих от мышц, и компьютером производится анализ для расчета силы, применяемой сервомоторами. При этом средняя стоимость устройства не так уж и высока - 4200 долларов США.

ReWalk от Argo Medical Technologies - еще один экзоскелет для людей с ограниченными возможностями. В июне 2014 года Управление продовольствия и медикаментов США одобрило данный экзоскелет, тем самым открыв ему дорогу в коммерческое использование. Система весит около 23,3 кг, работает на базе Windows и предоставляет пользователю работу в трех режимах: идти, сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов США. Устройство может непрерывно работать в течение 8 часов.

В 2015 году компания выпустила новую версию аппарата ReWalk Personal 6.0, который получил несколько улучшений в конструкции - скобки для ног стали тоньше, опорные ремни распределяют вес более равномерно по всему телу, а рюкзак, который ранее содержал процессор, был заменен на менее габаритный кейс. Пациент, облаченный в новый ReWalk, сможет полноценно ходить, приседать и даже подниматься по лестнице.

Все более популярной в медицине становится 3D-печать. С помощью 3D-принтера можно создать экзоскелет под индивидуальные особенности тела пациента. Так, специалисты компании 3D Systems отсканировали тело одной парализованной пациентки и вместе с Ekso Bionics распечатали экзоскелет, который можно с уверенностью назвать роботом. Он создан для людей, потерявших способность самостоятельно передвигаться на своих ногах. Механизм компенсирует мышечную атрофию или паралич, самостоятельно передвигая нижние конечности человека. Устройство сейчас успешно используется в больницах и реабилитационных центрах США.

В России разработкой медицинских экзоскелетов занима­ется команда ученых на базе НИИ механики МГУ. Российский проект экзоскелета для увеличения физических возможностей человека, в том числе для реабилитации людей с нарушениями локомоторных функций, называется ЭкзоАтлет. Система уп­равления построена на сигналах головного мозга, электро­миограммы и в автоматическом режиме обеспечивает передвижение пациента с повторением максимально естественной ходьбы человека, что позволяет существенно ускорить процесс восстановления двигательной и нервной активности.

Благодаря особой конструкции устройство позволяет перераспределить вес таким образом, чтобы человек-оператор без использования дополнительных двигателей или источников питания смог переносить до 100 кг груза. Вес самого устройства при этом составляет 12 кг. Цена экзоскелета колеблется в пределах 30 тысяч долларов США.

Одно из последних достижений в области медицинских экзоскелетов - устройство Phoenix от американской фирмы SuitX. При стоимости 40 тысяч долларов США разработчики позиционируют его как самый доступный бионический экзоскелет. Аппарат состоит из модуля тазобедренного сустава, двух коленных модулей и модулей ног, которые регулируются под индивидуальные потребности каждого пациента. Параметры ходьбы могут быть настроены с помощью физиотерапевта через мобильное приложение для Android. Устройство очень легкое, всего 7 кг, может работать до 4 часов в режиме непрерывной ходьбы на максимальной скорости 3,2 км/час. Примечательно, что разработчики пытаются как можно больше удешевить свой аппарат, используя недорогие сервоприводы и датчики, и обещают, что уже в 2016 году Phoenix будет доступен по цене до 20 тысяч долларов США.

Другие сферы применения экзоскелетов

Экзоскелеты находят применения и в других сферах деятельности человека. Их могут носить строители, сотрудники МЧС, пожарные и спасатели.

К примеру, компания ActiveLink, одно из подразделений Panasonic, в 2015 году выпустила серию экзоскелетов под названием Power Loader, которые предназначены для людей, работающих с тяжелыми грузами на складах и производстве. Power Loader весит 40 кг, позволяет поднимать до 30 кг груза и работает автономно 26 часов. Цена таких экзоскелетов составляет от 5 до 7 тысяч долларов США.

Также в эту серию входит выпущенный недавно экзоскелет AWN-03, разработанный специально для поддержки поясницы. Он автоматически распознает движение пользователя при подъеме и держании тяжелых предметов и посылает сигнал на двигатели для вращения шестерни. Особенности системы в том, что она поднимает верхнюю часть тела пользователя и в результате уменьшает нагрузку на нижнюю часть спины.

Еще один новый костюм от Panasonic называется «Ninja» и помогает пользователю ходить и бегать, например, в прохождении по крутым горным тропам и в лесах.

Помимо экзоскелетов на все тело, все большей популярностью пользуются ограниченные устройства, предназначенные для выполнения специфических задач. Например, экзо­стул Chairless Chair от Noonee позволяет сидеть стоя. Устрой­ство подходит для людей, которые проводят продолжительное время, стоя на месте, например, для операторов конвейерной ленты, кассиров, администраторов супермаркетов, охранников. При активации экзоскелета срабатывают амортизаторы, превращающие его в удобное кресло, которое снимает напряжение в мышцах ног и суставах. Каркас Chairless Chair выполнен из алюминия и углеродного волокна весом всего 2 кг. Батарея на 6В обеспечивает устройство питанием в течение 24 часов.

Среди других устройств можно выделить изобретение от канадской компании Port Hope - ARAIG. Это специаль­ный костюм для геймеров. Он позволяет владельцу физиче­ски чувствовать отдачу от игры. ARAIG - это куртка, которая состоит из декодера, экзоскелета и искусственной кожи. В экзоскелет встроены вибродвигатели, благодаря которым человек реально ощущает разнообразные игровые эффекты: попадание пуль, ударные волны от взрывов, дождь, дрожание земли под гусеницами танков и т.п. В воротнике этого необычного устройства спрятаны 6 динамиков. Важно также и то, что ARAIG совместим с любой игровой платформой, а его стоимость не превышает 300 долларов США.

Экзоскелеты применяются также успешно в космической деятельности. NASA имеет на своей службе экзоскелет Х1, который весит 25 кг и предназначен для поддержания астронавтов в хорошей физической форме в отсутствии земного притяжения, обеспечивая нагрузку мышцам и связкам.

Настоящее и будущее экзоскелетов

Как и все роботизированные устройства, экзоскелеты на пути к своему совершенству сталкиваются со многими проблемами. Если разобрать традиционный экзоскелет на составляющие, вы получите источник питания, механический скелет и программное обеспечение. И если с двумя последними пунктами все ясно, то первый представляет серьезную проблему.

Любой из современных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше устройство работает либо от провода, либо от солнечной батареи. Есть экзоскелеты, работающие на неперезаряжаемых батареях, которые часто приходится менять. В связи с этим разработчики пытаются найти подходящий источник питания для экзоскелетов в виде мощного аккумулятора или, как ни странно, беспроводной передачи энергии. В будущем этот процесс может осуществляться из большого реактора, в том числе и ядерного. Остается только изобрести способ этой передачи.

Когда речь заходит о каркасе, то большинство экзоскелетов созданы из алюминия и стали. Но это слишком тяжелые материалы, которые в значительной мере снижают эффективность костюма. Обеспечить легкость и высокую производительность экзоскелета могут более легкие и прочные материалы, такие как титан или углеродное волокно. На сегодняшний день это очень дорогостоящие материалы, но надеемся, что в будущем они будут более доступны.

Следующей проблемой экзоскелетов являются приводы. Обычно в конструкции робокостюма используются гидравлические цилиндры. Они достаточно мощные и могут работать с высокой точностью. Но эти цилиндры очень тяжелые и тре­буют наличия шлангов и трубок. Решением данной проблемы могут стать пневматические приводы, а также сервоприводы на электронной основе. Эти механизмы будут работать от магнитов, потребляя минимум энергии.

Огромную сложность при создании экзоскелета представляет управление и регулировка движений пользователя. Обычно датчики считывают движения тела человека, и механизм синхронно реагирует на них. Но этого недостаточно. Любое случайное движение может нарушить синхронизацию в управлении, и костюм просто может покалечить пользователя. Поэтому компоненты управления должны заранее обнаруживать случайные движения пользователя вроде чиха или кашля, чтобы не было сбоя в системе.

Все больше ученые работают над интерфейсом мозг-машина, позволяющим управлять экзоскелетом силой мысли. Яркий пример тому - недавно разработанный интерфейс мозг-компьютер из Корейского университета и Технического университета Берлина.

Интерфейс взаимодействует с экзоскелетом через специальную шапку на голове пользователя, записывающую ЭЭГ. Так, сигналы мозга считываются и определяют необходимый режим движения. Такая методика позволяет управлять экзоскелетом даже тем пациентам, которые лишены добровольного контроля за своим телом. Это большое достижение, и теперь ученым остается только доработать технологию, чтобы внедрить ее в жизнь.

Заключение

Рассмотрев особенности экзоскелетов, отметим, что это настоящее чудо техники, превращающее в реальность вещи, которые ранее были невозможны. Это не только инструмент для получения сверхсилы, но и последняя надежда на самостоятельную ходьбу для парализованного человека. Кроме того, любые задачи в промышленности, строительстве и даже космосе также могут быть решены за счет этих технологий.

Но на пути к массовому внедрению в нашу жизнь экзо­скелеты должны преодолеть ряд проблем, в том числе и высо­кую стоимость. Мы уверены, что в будущем эти устройства будут более доступными для обычных людей и станут привычным явлением, как компьютеры и мобильные телефоны, обеспечивая нам жизнь на новом технологическом уровне.

Человек, от природы обделенный защитными приспособлениями, на протяжении многих веков старался восполнить этот пробел эволюции. Со времен самых первых военных конфликтов он защищал себя от вражеского оружия дублеными шкурами, бронзовыми панцирями, а затем – кольчугой и латами. Но реалии современной войны диктуют свои условия. Помимо легкости и прочности новые виды защиты должны обладать рядом свойств, которые до этого считались лишь плодом воображения писателей-фантастов.

Впервые идея экзоскелета, что в переводе с греческого означает «внешний скелет», возникла во второй половине XIX века. Эдвард Сильвестер Эллис в своем романе 1868 года «Паровой человек в прериях» описал изобретение, по форме напоминающее человеческое тело и работающее на паровой тяге. Гениальный создатель этой чудо-машины Джонни Брейнерд, разместившись внутри такого костюма, мог с легкостью разгоняться до скорости в 100 км/ч. Чем он, собственно, и пользовался, охотясь на буйволов и распугивая дикарей.

1. Благодаря комиксу «Железный человек» в 1961 году, когда персонаж Стэна Ли набирал популярность, Пентагон понял, чего им не хватает для успешного ведения боевых действий. Все просто. Им нужен костюм, превращающий человека в танк. Боец, облачившись в чудо-костюм, должен становиться быстрым, маневренным, выдерживать высокий уровень радиации, защищать от химического и биологического оружия. Но самое главное – позволять переносить сверхтяжелые грузы.

1. «Hardiman» – экзоскелет, созданный в 60-х, благодаря совместным усилиям инженеров из General Electric и United States military. Оператор такого костюма мог при усилии в 4,5 кг поднять вес в 110 кг. Однако сам «Hardiman» весил 680 кг, а при стыковке всех частей в полный экзоскелет костюм начинал производить интенсивные и абсолютно неконтролируемые движения, которые, испытывайся он на живом человеке, могли бы разорвать оператора на части.

В начале 2000-х годов, после того как Пентагон выделил 75 миллионов долларов на разработку чуда-костюма, экзоскелет перестал быть фантастикой. Американская компания Sarcos разработала костюм «XOS», который удовлетворяет большей части требований Пентагона. Он улавливает сокращения мускулов оператора и переводит их в электрические сигналы, которые, в свою очередь, осуществляют движение устройства. По приблизительным подсчетам экзокостюм увеличивает силу человека в 20 раз. Но у него нет аккумуляторов, поэтому работает он исключительно от сети. Дальнейшее развитие XOS (которых уже, кстати, существует два вида) проводит компания Raytheon, поглотившая Sarcos.

Японцы, чья поп-культура просто пронизана всевозможными гаджетами и робототехникой, в конце прошлого десятилетия активно приступили к разработкам своего экзоскелета. И первый костюм, представленный ими, получил название «HAL». Он был разработан фирмой Cyberdyne и, в отличие от американского «XOS», считывает сигналы с кожи человека при помощи сенсоров, отправляет их в компьютер, который уже определяет, какие сервоприводы активировать. «HAL» легче американского аналога и питается от подвешенного на поясе аккумулятора на 100 вольт, но физическую силу он увеличивает всего в пять раз.

Основной проблемой солдата, за исключением, конечно, огня противника, является повышенная нагрузка на спину. Озаботившись этим, Lockheed Martin (основной подрядчик Пентагона) совместно с Parker Hannifin разрабатывают экзоскелет HULC (Human Universal Load Carrier), который призван увеличить мобильность солдата на поле боя. Отличительными особенностями этой разработки станет возможность носить ее под одеждой. Солдат, облаченный в «HULC», сможет переносить груз в 100 кг без особых трудностей на расстояние до 20 км. На данный момент разработка Human Universal Load Carrier находится на второй стадии развития.

Lockheed планирует выпускать экзоскелет Mantis (Богомол). Он будет предназначен для применения в отраслях, где работникам нужно держать тяжелое оборудование продолжительное время. Он будет иметь специальную механическую руку, поглощающую всю тяжесть инструментов. Испытания уже показали 30% увеличения производительности. Американский военпром уже заинтересовался данным изделием.

В феврале 2014 года президент США Барак Обама в одном из своих выступлений намекнул на то, что удалось создать настоящий костюм Железного человека (Iron man). Это заявление оказалось шуткой, однако лишь наполовину. Еще в мае прошлого года было заявлено о начале разработок сверхлегкого тактического атакующего экзокостюма TALOS (Tactical Assault Light Operator Suit). Он предназначен для повышения эффективности и защиты солдат, участвующих в спецоперациях. Облаченный в него солдат сможет видеть ночью и будет обладать большой физической силой. Также, благодаря ученым из Массачусетсткого технологического университета, новый экзокостюм будет оснащен «жидкой броней». Такая броня затвердевает за долю секунды из-за созданного вокруг нее силового поля. Теоретически это означает, что в TALOS можно передвигаться непосредственно под градом вражеских пуль.

Бортовые компьютеры будущих экзокостюмов будут не только оказывать помощь в принятии решений на поле боя, но и контролировать физическое состоянии оператора. Благодаря встроенным датчикам жизнеобеспечения командование всегда будет знать, кому из бойцов нужна срочная помощь.

Также, помимо шагающих экзоскелетов, разрабатываются и летающие версии. Компания Trek Aerospace разработала устройство Springtail. С помощью него солдат сможет подниматься в воздух и развивать скорость до 100 км/ч, а также зависать в воздухе на высоте нескольких тысяч метров.

1. Если вы считаете, что подобные разработки ведутся только за рубежом, то вы глубоко заблуждаетесь. 20 августа 2013 года на «Дне инноваций Министерства обороны РФ» был представлен первый действующий образец экзоскелета для штурмовых отрядов. Данная модификация получила название ExoAtlet P-1 и создана для снятия нагрузки при переносе штурмового щита. Экзоатлет оснащен устройствами для фиксации и быстрого снятия 35-килограммового щита. При использовании этого экзокостюма у бойца освобождаются руки для ведения боя.

На данный момент в России ведутся разработки экзоскелета для медицинских целей. В «ЭкзоАтлет Мед» сейчас открыт набор пилотов для ускорения реализации программы. Им может стать любой желающий с нарушениями опорно-двигательного аппарата и локомоторных функций. Просто нужно заполнить соответствующую анкету на официальном сайте.

По-настоящему боевой экзоскелет еще так и не создан, а ученые уже придумали, чем его можно дополнить. Geckskin – это особая ткань, которая разработана по принципу лапок геккона и позволяет осуществлять сверхпрочное сцепление с любой поверхностью. Кусочек такой ткани размером с тетрадный лист может удержать более 300 кг. Следовательно солдат, облаченный в экзокостюм, сможет не только быть сильным, высоко прыгать и быстро бегать, но еще и карабкаться по отвесным стенам.

Если вы, дочитав до этого момента, задались вопросом: «Почему до сих пор нет ни одного полностью рабочего и удовлетворяющего всем требований экзоскелета?» – то задумайтесь, сколько стоит собрать хотя бы один такой прототип? Такая же схема, как с сотовыми телефонами, эволюционировавшими за 20 лет до смартфонов, здесь не пройдет. Слишком много технологий, механизмов, а также особых физических материй, которые не упростить за пару десятилетий.

1. Самой главной проблемой всех экзоскелетов является аккумулятор. Сейчас не существует более надежного и экономного способа хранения энергии, чем литиево-ионные батареи. Но у них тоже есть свой максимальный рубеж емкости, после которого они превращаются в бомбу. Поэтому до тех пор, пока не будет найден альтернативный и безопасный источник хранения большого количества энергии, экзокостюмы будут сильно ограничены в возможностях.

По ходу своего развития человечество всегда воплощало в реальность то, что до этого считалось лишь плодом фантазии, особенно если это касается средств ведения войны. Поэтому нет никаких сомнений, что в обозримом будущем боевые действия будут вестись небольшими группами суперсолдат в экзокостюмах. Тем более что, с точки зрения многих фантастов, это безопаснее, чем создавать сверхумных роботов, которые в итоге могут стать причиной уничтожения всего живого на Земле.

Боевые зкзоскелеты позволяют выдерживать колоссальные физические нагрузки, защищать бойца от осколков, а также использовать тяжелое вооружение. Фантастика? Отнюдь. Такая амуниция появится уже в ближайшие годы. Предлагаем вам познакомиться с последними разработками в этой области.

Помните экипировку и амуницию космических рейнджеров в фантастическом экшене 90-х годов прошлого века «Звездный десант»? Бесстрашные пехотинцы в футуристических экзоскилетах, вооруженные крупнокалиберными пулеметами крушили все на своем пути, не давая пощады мерзким жучкам и паучкам. Фантастика? Отнюдь, такие костюмы уже существуют и вот-вот появятся у спецназа США, России и Японии.

Экзоскелет - как все начиналось

Еще в середине прошлого столетия инженерам-конструкторам General Electric, работающим на потребности оборонки и реабилитационной медицины, пришла в голову смелая идея – разработать внешний каркас, который позволил бы оператору свободно переносить грузы весом в 500-700 кг. Причем, рабочие механизмы и система рычагов должна была приводиться в движение от электрического двигателя, запитываемого от переносных аккумуляторов.

Предполагалось, что бойцы, одетые в такие экзоскелеты, смогут выполнять боевые задачи с применением тяжелого вооружения, разворачивать мобильные базы и оперативно переносить большие грузы практически без помощи вспомогательной техники.

Боевой экзоскелет HULC от Lockheed Martin

После серии неудач в 2012 году американцы представили на строгий суд общественности антропоморфный гидравлический экзоскелет HULC . Модель фактически готова к применению в боевых условиях, во всяком случае, в том же 2012 году несколько комплектов HULC якобы отправили в горячие точки для активных испытаний.

Последние модели HULC оснащены механической рукой, способной справляться на отлично с тяжелым 12,7-мм пулеметом. Из защиты отметим бронещит, крепящийся к титановому каркасу конструкции. Механика и батарея позволяет легко переносить 70-кг грузы в течение 7-8 часов без подзарядки. И все это при максимальной скорости передвижения в 18 км/ч!

Медицинский экзоскелет Cyberdyne HAL от Cyberdyne Systems

Один из лучших на сегодняшний день концептов экзоскелета от неутомимых японцев. Общий вес модуля составляет всего 23 кг, в рабочем режиме конструкция может работать 2 часа 40 минут без подзарядки от лития-ионного аккумулятора. Cyberdyne HAL предназначен для повышения мускульных усилий оператора и может успешно использоваться для помощи престарелым, реабилитации раненных или же для переноски тяжестей во время разгрузо-погрузочных операциях. О военных испытаниях модели пока не сообщалось, но такой сценарий использования Cyberdyne HAL в близлежащей перспективе не исключается.

Экзоскелет уже есть в открытой продаже, его рыночная стоимость – 4200 тысяч долларов США.

Экзоскелет «Боец-21» от оборонки РФ

«Боец-21» - отечественный ответ на наиболее успешные западные разработки HULC и Cyberdyne HAL. Концепт этого боевого экзоскелета обещают представить уже в 2015 году. Согласно заявлениям разработчиков, «Боец-21» поможет снять основную мышечную нагрузку с пехотинца, защитит его от осколков и нарезного оружия.

Солдаты объединенной армии Земли из фантастического боевика «Грань будущего», облаченные в устрашающие боевые экзоскелеты, вскоре могут сойти с киноэкрана в обычную жизнь. Точнее - в реальные войны.

Герой этого блокбастера, американский майор Кейдж в исполнении Тома Круза, сражается против монстров инопланетной расы в эффектном роботизированном каркасе, как будто срисованном с популярных аниме и фантастических комиксов. Однако, как обещают военные, в течение ближайших пяти – десяти лет в распоряжении вооруженных сил России, США, стран Европы, Японии и Китая может появиться целая линейка таких военных экзоскелетов – футуристических устройств, которые сделают солдат неутомимыми и неуязвимыми.

Возможности робокостюмов, если верить их разработчикам, в перспективе почти безграничны. Для начала, как предполагается, солдаты недалекого будущего в экзоскелетах смогут поднимать тяжести до 450 кг и переносить груз (в том числе тяжелое вооружение) весом до центнера в течение нескольких часов во время двадцатикилометрового марша со средней скоростью более 7 км/ч и с возможностью кратковременных ускорений в 4 раза. А еще - перепрыгивать через препятствия высотой и длиной в несколько метров, выдерживать атаки химического и биологического оружия, радиацию, иное жесткое излучение и высокие температуры.

Каждый чудо-каркас будет оборудован встроенным компьютером, дисплеем и защитным шлемом с возможностью обзора на 360 градусов, а специальная система креплений позволит устанавливать на экзоскелет броню, которая защитит человека от осколков бомб и снарядов, пуль и ударов лазера. При желании на эту конструкцию можно будет навесить любые другие агрегаты и приспособления, вплоть ракет и станковых пулеметов.

В перспективе же военный экзоскелет призван стать симбиозом защитного робокостюма, скафандра астронавта и ходячего арсенала. Помимо прочих боевых задач, эти «костюмы» смогут использоваться для боевых действий в условиях города; там, где требуется большое количество боеприпасов, мощная поражающая сила и «серьезная» бронезащита; в разведывательных и диверсионных операциях по тылам противника - и вообще везде, где обычному солдату не выжить. Система датчиков при этом будет отслеживать состояние здоровья бойца, а также оказывать ему первую помощь при ранениях и травмах.

Но и этого мало. Военные конструкторы уже создают экзоскелеты для боевых действий не только на суше, но и в воде. А особые надежды разработчики возлагают на экзоскелет с двумя реактивными микротурбинами и набором крыльев, управляя которым солдаты смогут летать со скоростью более 100 км/ч, планировать в воздухе и зависать на высоте несколько тысяч метров.

Как все это будет выглядеть в натуре, можно увидеть не только в «Грани будущего», но и многих других фантастических боевиках - «Аватаре», «Звездном десанте», «Районе N 9» и т.д. Хотя полковник Куоритч из «Аватара», строго говоря, управляет не экзоскелетом, а «мехом» – «шагающим танком», боевой машиной, которая пилотируется из кабины, расположенной в торсе или голове огромного механизма. А отважная Эллен Рипли в финале «Чужих» сражается с королевой монстров, находясь внутри шагающего погрузчика (чем не праэкзоскелет?)

Еще в 1959 г. американский фантаст Роберт Хайнлайн опубликовал роман «Звездный десант», впоследствии экранизированный Полом Верховеном, где впервые был описан бронированный скафандр, одевшись в который «звездные рейнджеры» могли бегать, прыгать и летать посредством ракетных двигателей. А наиболее знаменитыми кинопрародителями солдата в экзоскелете стали Железный человек и неутомимый Халк из комиксов Marvel.

За два года появления комиксов о Железном человеке, в 1961-м, американские военные приступили к разработке механической униформы для «человека-танка». Классический принцип, который тогда взяли на вооружение разработчики, воспроизводится и сегодня: экзоскелет отслеживает движения пользователя и, многократно усиливая, повторяет их с помощью встроенных сервоприводов. Чувствительные сенсоры суперкостюма регистрируют мышечные сокращения и передают сигналы на электродвигатели, которые, в свою очередь, увеличивают силу в конечностях человека, а компьютеры и датчики обеспечивают всей конструкции баланс и ориентировку. При этом, хотя моторы реагируют на поступающие сигналы достаточно быстро, человек в экзоскелете все же ощущает заметную задержку движений.

В конце 2000-х в Японии создали экзоскелет, который приводится в движение электрическими сигналами, поступающими через сенсоры, закрепленные на коже, а не в результате сокращений мускулов. А в будущем, как обещают те же японцы, экзоскелеты будут управляться и при помощи мысли.

В 2013 г. в рамках Дня инноваций Министерства обороны РФ в Москве одно из подразделений проекта «ЭкзоАтлет» представило первый действующий образец суперкостюма, адаптированный для штурмовых отрядов и предназначенный для снятия нагрузки с бойцов при переноске штурмового щита. Большая часть веса щита - 35 кг - ложилась на конструкцию экзоскелета, которая была снабжена устройством для фиксации и быстрого снятия щита, что очень важно во время боевых действий. У спецназовца при этом освобождались руки для ведения боя или, скажем, разминирования территории.

Разорвать воздух на скорости звука и устремиться к горизонту, вытянув руки по швам в своём железном костюме. В мгновение ока оказаться в любой точке земного шара без необходимости стоять в пробке. Летать без крыльев, не будучи на борту самолёта или чего покрепче. Пусть бросит в меня камень тот, кто не хотел оказаться на месте Тони Старка в его звёздные моменты (конечно, в костюме «Железного человека»). Частично эти мечты сумеет реализовать экзоскелет — устройство, который может увеличить способности человека (по большей части физические, мускульную силу) за счет внешнего каркаса. О том, что собой представляет это устройство, какие наработки уже имеются и как технологии будут развиваться в будущем, мы расскажем в этом материале.

От эластипеда до «железного человека»

Наука и технологии — это без преувеличений самая лютая гонка изобретательности человека и природы. Всю свою историю человек пытается переделать мир вокруг себя под свои нужды. Где-то это ему удаётся, часто не без вреда для природы. Где-то приходится подглядывать у неё. И если у большинства беспозвоночных в том или ином виде есть внешний скелет, у человека его нет. Но ведь и крыльев не было? В наше время под экзоскелетом подразумевается механический костюм или его часть до 2-2,5 метра высотой. Дальше идут «мобильные костюмы», меха и другие гигантские человекоподобные роботы. Как и многое другое в нашей жизни, экзоскелеты постепенно перешагивают границу, разделяющую смелые мечты и повседневную жизнь. Будучи изначально просто идеями, концептами, мифами и легендами научной фантастики, сегодня чуть ли не каждую неделю появляются новые варианты экзоскелетов. Первым изобретателем экзоскелета считается русский «инженеръ-механикъ» Николай Фердинандович Ягн, который ещё в 1890-х годах зарегистрировал ряд патентов на эту тему. Он жил в Америке, где, собственно, и патентовал свои чудеса, показывал их на выставках, а по возвращении на родную землю снова изобретал. Его экзоскелет должен был облегчить ходьбу, бег и прыжки в первую очередь, солдат. Уже тогда русский гений предвидел потенциальную военную мощь подобных устройств.

НИКОЛАЙ Фердинандович ЯГН Кроме экзоскелета Ягн разработал охлаждающие занавески, гидромотор, качающийся винт, самовар-стерилизатор и другие устройства

Hardiman

Не будем отрицать, гигантский и необъятный вклад в развитие экзоскелетов внесли фантасты. В 1959 году после нашумевшего романа Роберта Хайнлайна «Звёздный десант» всем стало понятно, что за внешними каркасными костюмами — будущее военных действий и не только. И понеслось. Первый экзоскелет был создан компанией General Electric при поддержке Министерства обороны США в 1960-х годах. Hardiman весил 680 килограммов и мог поднимать грузы весом до 110 килограммов. При всех гигантских амбициях — а его хотели использовать и под водой, и в космосе, и боеголовки таскать, и ядерные стержни — показал он себя не лучшим образом. О нём благополучно забыли.

Отдалённо напоминающее экзоскелеты устройство «педомотор» изобретателя Лесли С. Келли, разработанное в 1917 году

Девять лет спустя Миомир Вукобратович из югославского Белграда показал первый силовой шагающий экзоскелет, задача которого была давать людям с параличом нижних конечностей возможность шагать. В основе устройства лежал пневмопривод. Советские учёные из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова проявили первые инициативы по разработке экзоскелетов совместно с югославскими коллегами на основе работ именно Вукобратовича. Но с началом перестройки проекты были закрыты, а о секретных подпольных разработках экзоскелетов данных нет. Зато с освоением космоса всё было хорошо. В разное время в разных странах умельцы пытались сделать экзоскелеты самого разного назначения, но в силу самых разных препятствий (о которых мы ещё поговорим) удавалось это в край плохо. Нехватка энергоносителей, медленный рост научно-технического прогресса, развития материаловедения и прочих смежных наук, а также развитие компьютерных вычислений и кибернетики, волна которых поднялась только лет 30 назад, — всё это тормозило развитие экзоскелетов. Без всяких сомнений, это сложнейшие технологии, которые людям ещё предстоит освоить.

Проблемы экзоскелетов

На этой планете не так много материалов, из которых можно сделать жесткий каркас и который не усугубит дело своим весом. Во всяком случае, их было не много, но с учетом космических полетов, военных наработок, развития материаловедения, нанотехнологий и еще десятка-другого интересных сфер, человечество постепенно берет один барьер за другим. В начале 21 века интерес к экзоскелетам разгорелся с недюжинной силой и продолжает гореть до сих пор. Но сначала поговорим об основных проблемах, с которыми сталкиваются создатели экзоскелетов. Если разложить гипотетический экзоскелет на составляющие, у нас будут: источник питания, механический скелет и программное обеспечение. И если с двумя последними пунктами вроде бы все ясно и проблем почти не осталось, то источник питания — это серьезная проблема. Имея нормальный источник питания, инженеры могли бы не просто создать экзоскелет, а еще и объединить его со скафандром и реактивным ранцем. Получился бы костюм «Железного человека», наверное, но новый Тони Старк пока не явился.

Питание Любой из компактных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше — зависимость от провода. У неперезаряжаемых и аккумуляторных батарей есть свои ограничения вроде необходимости замены или медленной зарядки, соответственно. Двигатели внутреннего сгорания должен быть слишком надежным, но не особо компактным. К тому же, в последнем случае понадобится дополнительная система охлаждения, а сам двигатель внутреннего сгорания сложно настроить на моментальный выброс большого количества энергии. Электрохимические топливные элементы могут быстро заправляться жидким топливом (например, метанолом) и давать нужный и моментальный выброс энергии, но работают при крайне высоких температурах. 600 градусов по Цельсию — относительно низкая температура для такого источника питания. С ним «железный человек» превратится в хот-дог. Как ни странно, наиболее возможным вариантом решения топливного вопроса для экзоскелетов будущего может стать самый невозможный: беспроводная передача энергии. Она могла бы решить массу вопросов, ведь ее можно передавать из сколь угодно большого реактора (и ядерного, в том числе). Но как? Вопрос открыт.

Каркас. Первые экзоскелеты делались из алюминия и стали, недорогих и простых в использовании. Но сталь слишком тяжелая, а экзоскелет обязательно должен работать и над тем, чтобы поднять свой собственный вес. Соответственно, при большом весе костюма его эффективность упадет. Алюминиевые сплавы — достаточно легкие, но накапливают усталость, а значит не особо подходят для высоких нагрузок. Инженеры находятся в поисках легких и прочных материалов, вроде титана или углеродного волокна. Они неизбежно будут дорогими, но обеспечат эффективность экзоскелета. Особую проблему представляют приводы. Стандартные гидравлические цилиндры достаточно мощные и могут работать с высокой точностью, но тяжелые и требуют наличия кучи шлангов и трубок. Пневматика, напротив, слишком непредсказуема в плане обработки движений, поскольку сжатый газ пружинит, а реактивные силы будут толкать приводы. Впрочем, разрабатываются новые сервоприводы на электронной основе, которые будут использовать магниты и обеспечивать отзывчивые движения, потребляя минимум энергии и будучи небольшими. Можете сравнить это с переходом от паровозов к поездам. Отметим еще гибкость, которая должна быть у суставов, но здесь проблемы экзоскелетов могут решить разработчики скафандров. Они же помогут разобраться с адаптацией костюма к размерам носителя.

Управление Особую проблему при создании экзоскелета представляет управление и регулировка чрезмерных и нежелательных движений. Нельзя просто так взять и сделать экзоскелет с одной скоростью реакции каждого из членов. Такой механизм может быть слишком быстрым для пользователя, а слишком медленным его не сделаешь — неэффективно. С другой стороны, нельзя положиться на пользователя и доверить датчикам считывать намерения по движениям тела: рассинхронизация движений пользователя и костюма приведет к увечьям. Нужно ограничивать обе действующих стороны. Над решением этого вопроса и ломают головы инженеры. Кроме того, нужно заранее обнаружить непреднамеренное или нежелательное движение, чтобы случайный чих или кашель не привел к вызову скорой.

Экзоскелеты и будущее

В 2010 году компании Sarcos и Raytheon совместно с Министерством обороны США показала боевой экзоскелет XOS 2. Первый прототип вышел за два года до этого, но не вызвал переполоха. А вот XOS 2 оказался настолько крутым, что журнал Time включил экзоскелеты в список пяти лучших военных инноваций года. С тех пор ведущие инженеры мира, ломают головы над созданием экзоскелетов, которые смогут обеспечить преимущество на поле боя. И за пределами него тоже.

Что мы имеем на сегодняшний день?

ReWalk Этот экзоскелет был представлен в 2011 году и был предназначен для людей с ограниченными возможностями. В январе 2013 года вышла обновленная версия — ReWalk Rehabilitation, а уже в июне 2014 года FDA одобрило использование экзоскелета на публике и дома, тем самым открыв ему дорогу в коммерческом плане. Система весит около 23,3 кг, работает на базе Windows и работает в трех режимах: идти, сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов.

XOS Серия этих военных экзоскелетов находится в активной разработке (на очереди XOS 3). Весит около 80 кг и позволяет владельцу с легкостью поднимать 90 лишних кг. Последние модели костюма настолько подвижны, что позволяют играть с мячом. Как отмечают производители, один XOS может заменить трех солдат. Возможно, третье поколение экзоскелета будет уже ближе к тому, что мы видим на экранах фантастических фильмов последних лет. Увы, пока он привязан к внешнему источнику питания.

HULC. Human Universal Load Carrier — творение известной компании Lockheed Martin совместно с Berkeley Bionics. Этот экзоскелет также предназначен для военных. Основа — гидравлика и литий-полимерные батареи. Правильно загрузив внешний каркас, с его помощью можно переносить до 140 кг лишнего груза. Предполагается, что солдаты смогут использовать HULC а-ля «я и друг мой грузовик» в течение 72 часов. Разработка идет полным ходом, поэтому неудивительно, что именно HULC могут первыми поступить на вооружение США.

ExoHiker, ExoClimber и eLEGS (Ekso). Прототипы, опять же, Berkeley Bionics, предназначенные для выполнения различных задач. Первый должен помочь путешественникам переносить груз до 50 кг, был представлен в феврале 2005 года и весит около 10 кг. Учитывая небольшую солнечную панель, может работать очень и очень долго. ExoClimber — это десятикилограммовое дополнение к ExoHiker, позволяющее носителю прыгать и взбираться по ступенькам. В 2010 году наработки Berkeley Bionics вылились в eLEGS. Эта система — полноценный гидравлический экзоскелет, который позволяет парализованным людям ходить и стоять. В 2011 году eLEGS был переименован в Ekso. Он весит 20 кг, передвигается с максимальной скоростью в 3,2 км/ч и работает в течение 6 часов.

HAL. Очередной нашумевший экзоскелет от японского производителя роботов Cyberdyne. Его назначение — обеспечить возможность ходить людям с ограниченными возможностями. Есть два основных варианта: HAL-3 и HAL-5. С момента презентации в 2011 году, меньше чем за год HAL приняли «на вооружение» более 130 медицинских институтов по всей стране. Однако испытания будут продолжаться весь 2014 и, возможно, 2015 год. В августе 2013 года HAL получил карт-бланш на использование в качестве медицинского робота в Европе. Новейшая модель костюма весит около 10 кг.

Cредняя стоимость медицинского экзоскелета — 90 тысяч долларов.

Помимо серьезных экзоскелетов на все тело, все большей популярностью пользуются ограниченные экзоскелеты, предназначенные для выполнения специфических задач. Например, в августе этого года был показан экзостул Chairless Chair, позволяющий сидеть стоя. Компании Daewoo и Lockheed Martin независимо друг от друга показали экзоскелеты для работников судостроительных верфей. Эти устройства позволяют рабочим удерживать груз или инструмент весом до 30 кг, особо не напрягаясь. В России разработкой экзоскелета под названием «ЭкзоАтлет» занимается команда ученых, собранная на базе НИИ Механики МГУ. Они продолжают начатые еще в СССР разработки Вукобратовича, о которых мы упоминали выше. Первый рабочий пассивный экзоскелет этой команды был разработан для сотрудников МЧС, пожарных и спасателей.

При весе в 12 кг конструкция позволяет без особых усилий переносить до 100 кг груза. В планах компании — разработка силовой модели ExoAtler-A, которая позволит переносить до 200 кг, а также медицинского экзоскелета для реабилитации людей с ограниченными возможностями. Объединяет все эти костюмы то, что представлены они по большей части в качестве прототипов. Значит, будут совершенствоваться. Значит, их ждут полевые испытания. Значит, будут новые модели. Значит, за ними будущее. Пока говорить о том, что рабочий и полезный экзоскелет можно пойти и купить на черном рынке, рановато. Но начало положено, а развитие этого направления уверенно входит в широкое русло. До костюма Тони Старка нам еще далековато, но что мешает радоваться зрелищным фильмам?

Любителям зрелищных разборок с участием экзоскелетов всегда будет что посмотреть: «Чужие» (1986), «Железный человек» (2008), «Аватар» (2009), «Район №9» (2009), «Мстители» (2012), «Элизиум» (2013), «Грань будущего» (2014). Одно известно наверняка: экзоскелеты в будущем будут повсюду. Они помогут нашим космонавтам освоить Марс, построить первые колонии и с удобством управляться в космосе. Они станут на вооружение в военном сегменте, поскольку по умолчанию наделяют солдат сверхчеловеческой силой. Они дадут возможность полноценно передвигаться тем, кто ее потерял. Костюм «Железного человека» однажды станет реальным, как и все, что вы видите вокруг.

«ЭкзоАтлет»