Экзоскелеты будущего. Экзоскелеты будущего будут плотно прилегающими костюмами
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»
Еще одна проблема, особенно у экзоскелетов для верхней части тела, заключается в их весе, поскольку их делают из прочных материалов, способных удерживать тяжелые веса и поддерживать тело. Современные костюмы также не очень хорошо справляются с изменениями температуры или дождем, что усложняет их использование в реальном мире. А с их внешним видом люди до сих пор не могут свыкнуться.
Чтобы сделать экзоскелеты более практичными и приятными на вид, нам понадобятся инновации: нам придется сделать их «второй кожей», а не гигантским роботизированным костюмом. Обычно экзоскелеты используют тяжелые электромоторы, но в качестве пневматических мускулов можно использовать и легковесные приводы. Они могут прикладывать подобные усилия, что и электромоторы, только весить будут в разы меньше. Такие мускулы состоят из резиновой камеры, окруженной тканым рукавом. Под давлением они увеличиваются в диаметре и сокращаются в длине, толкая сустав. И хоть сделаны они из легких материалов, они могут прикладывать силу, которой хватит для подъема многих сотен килограммов.
Мягкая робототехника
И все же даже эти легкие приводы должны крепиться к жесткой механической конструкции на теле пользователя. Ученые из Центра автономных систем и робототехники Университета Солфорда разрабатывают другую альтернативу: мягкую робототехнику. Эта технология использует физически мягкие продвинутые материалы для тех же задач, которые выполняют традиционные жесткие роботизированные устройства. Они особенно хорошо подходят для взаимодействия с людьми, поскольку мягкое зачастую означает легкое и при столкновении с человеком будет меньше шансов пораниться.
Недавно они разработали новый «мягкий континуумный привод», который изгибается подобно хоботу слона. В отличие от традиционного жесткого роботизированного сустава, встречая сопротивление в одной части тела, он будет изгибаться во всех направлениях по всей своей длине. Надев костюм из плотно прилегающего к телу материала с такими приводами, мы могли бы получить мягкий экзоскелет, который сгибается точно в местах нахождения суставов носителя. Следовательно, костюм вполне подойдет разным пользователям без необходимости механически подгонять или калибровать его. Плюс к этому система легкая, и ее можно носить как одежду вместо громоздкой механической рамы.
Экзоскелеты начинают продаваться на коммерческой основе, и мы, вероятно, увидим много новенького в грядущие годы. В 2012 году парализованная женщина Клэр Ломас даже завершила Лондонский марафон в экзоскелете. Но остается много инженерных проблем, которые придется решить, прежде чем мы увидим широкое применение таких систем. Как минимум нам нужен способ подпитывать эти костюмы без необходимости подключать к сети через каждые полчаса.
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.
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 экзорскелеты 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.
