logo logo
Сообщество робототехников

Как работают экзоскелеты?

Экзосклете, как работает экзоскелет, история экзоскелета, костюм будушего, железный человек, как сделать костю железного человека
Понедельник, 5 Июня 2017, в 16:54
Эксклюзив

Автор: Илья Хель

Если вы один из тех, кто с превеликим удовольствием посмотрел все части «Железного человека», вы наверняка были в восторге от железного костюма, который надевал Тони Старк перед боем со злодеями. Согласитесь, было бы неплохо обладать таким костюмом. Помимо возможности доставить вас в мгновение ока куда угодно, хоть в космос, хоть за хлебом, он защищал бы ваше тело от всевозможных повреждений и давал сверхчеловеческую силу.

Вас наверняка не удивит тот факт, что очень скоро облегченная версия костюма «Железного человека» позволит солдатам бегать быстрее, переносить тяжелое оружие и передвигаться по пересеченной местности. При этом костюм будет защищать их от пуль и бомб. Военные инженеры и частные компании работают над экзоскелетами с 60-х годов прошлого века, но только послдние достижения в области электроники и материаловедения приблизили нас к воплощению этой идеи так близко, как никогда до этого.

В 2010 году американский оборонный подрядчик Raytheon продемонстрировал экспериментальный экзоскелет XOS 2 — по сути, роботизированный костюм, управляемый человеческим мозгом — который может поднять в два-три раза больше веса, нежели человек, безо всяких усилий и посторонней помощи. Другая компания, Trek Aerospace, разрабатывает экзоскелет со встроенным джетпаком (реактивным ранцем), который сможет летать на скорости 112 км/ч и неподвижно зависать над землей. Эти и ряд других перспективных компаний, включая таких монстров, как DARPA и Lockheed Martin, с каждым годом приближают костюм «Железного человека» к реальности.

Интервью с создателем российского экзоскелета Stakhanov читайте здесь

 

Экзоскелет XOS 2 от Raytheon

Отметим, что не только военные получат выгоду от разработки хорошего экзоскелета. Однажды, люди с поврежденным спинным мозгом или дегенеративными заболеваниями, ограничивающими способности передвижения, смогут с легкостью перемещаться благодаря внешним каркасным костюмам. Первые версии экзоскелетов, например, ReWalk от Argo Medical Technologies, уже поступили на рынок и получили всеобщее одобрение. Тем не менее, на данный момент область экзоскелетов все еще находится в зачаточном состоянии.

Какую революцию обещают провести экзоскелеты будущего на поле боя и в мирное время? Какие технические препятствия должны преодолеть инженеры и конструкторы, чтобы сделать экзоскелеты действительно практичными для повседневного использования? Давайте разберемся.

История разработки экзоскелетов

Воины надевали доспехи на свои тела с незапамятных времен, но первая идея тела с механическими мышцами появилась в научной фантастике в 1868 году, в одном из копеечных романов Эдварда Сильвестра Эллиса. В книге «Паровой человек прерий» описывался гигантский паровой двигатель человеческой формы, который передвигал его изобретателя, гениального Джонни Брейнерда, со скоростью 96,5 км/ч, когда тот охотился на быков и индейцев.

Но это фантастика. Первый же реальный патент на экзоскелет получил русский инженер-механик Николай Ягн в 1890-х годах в Америке. Известный своими разработками конструктор более 20 лет прожил за океаном, запатентовал с десяток идей, описывающих экзоскелет, позволяющий солдатам бегать, ходить и прыгать с легкостью. Однако на деле Ягн известен только по созданию «Друга кочегара» — автоматического приспособления, подающего воду в паровые котлы.

 

Как-работают-экзоскелеты-1

Экзоскелет, запатентованный Н. Ягном

К 1961 году, спустя два года после того, как Marvel Comics придумала своего «Железного человека», а Роберт Хайнлайн написал «Звездный десант», Пентагон решил сделать свои экзокостюмы. Он поставил задачу создать «сервосолдата», который описывался как «человеческая капсула, оснащенная рулевым управлением и усилителями», позволявшими быстро и легко передвигать тяжелые объекты, а также защищающая носителя от пуль, ядовитого газа, тепла и радиации. К середине 60-х годов инженер Корнельского университета Нил Майзен разработал 15,8-килограммовый носимый каркасный экзоскелет, получивший название «костюм сверхчеловека» или «человеческий усилитель». Он позволял пользователю поднимать 453 килограмма каждой рукой. К тому же времени General Electric разработала похожее 5,5-метровое устройство, так называемый «педипулятор», который управлялся оператором изнутри.

Несмотря на эти весьма интересные шаги, успехом они не увенчались. Костюмы оказались непрактичными, однако исследования продолжались. В 80-х годах ученые из Лос-Аламосской лаборатории создали дизайн для так называемого костюма «Питмана», экзоскелета для пользования американским десантом. Однако концепт остался только на чертежной доске. С тех пор мир увидел еще несколько разработок, но недостаток материалов и ограничения энергоносителей так и не позволили нам увидеть настоящий костюм «Железного человека».

На протяжении многих лет производители экзоскелетов были загнаны в угол пределами технологий. Компьютеры были слишком медленными и не могли обрабатывать команды, приводящие костюмы в движение. Энергоснабжения не хватало, чтобы сделать экзоскелет достаточно портативным, а электромеханические мышцы-приводы, которые двигали конечностями, были просто слишком слабыми и громоздкими, чтобы работать «по-человечески». Тем не менее, начало было положено. Идея экзоскелета оказалась слишком многообещающей для военной и медицинской сфер, чтобы просто так расстаться с ней.

Человек-машина

Как-работают-экзоскелеты-5

В начале 2000-х годов стремление создать настоящий костюм «Железного человека» начало хоть куда-то приводить.

Оборонное агентство перспективных разработок DARPA, инкубатор экзотических и передовых технологий Пентагона, развернуло программу на 75 миллионов долларов, в рамках которой предполагалось создание экзоскелета для дополнения человеческого тела и его производительности. Список требований DARPA был достаточно амбициозным: агентство хотело получить машину, которая позволит солдату неустанно переносить сотни килограммов груза целыми днями, поддерживать крупные орудия, которые обыкновенно требуют наличия двух операторов, а также сможет вынести раненого солдата, если понадобится, с поля боя. При этом машина должна быть неуязвима к огню, а также высоко прыгать. План DARPA многие сразу сочли невыполнимым.

Но не все.

Компания Sarcos — во главе с создателем роботов Стивом Якобсеном, который до этого создал 80-тонного механического динозавра — придумала инновационную систему, в которой датчики обнаруживали сокращения мышц человека и использовали эти сигналы для управления набором клапанов, которые, в свою очередь, регулировали гидравлику под высоким давленим в суставах. Механические суставы двигали цилиндры, связанные кабелями, имитирующими сухожилия, соединяющие человеческие мышцы. В результате родился экспериментальный экзоскелет XOS, который делал человека похожим на гигантское насекомое. В конечном итоге Sarcos была приобретена компанией Raytheon, которая продолжила разработку, чтобы через пять лет представить второе поколение костюма.

Экзоскелет XOS 2 настолько взбудоражил общественность, что журнал Time включил его в список пяти лучших инновационных военных технологий в 2010 году.

Между тем, другие компании, вроде Berkeley Bionics, работали над уменьшением количества энергии, которого требовали искусственные протезы, чтобы экзоскелет мог функционировать достаточно долго и быть практичным. Один из проектов 2000-х, Human Load Carrier (HULC), мог работать до 20 часов без подзарядки. Прогресс понемногу продвигался вперед.

 

Как-работают-экзоскелеты-2

Экзоскелет HAL

К концу десятилетия японская компания Cyberdine разработала роботизированный костюм HAL, еще более невероятный по своему устройству. Вместо того, чтобы полагаться на сокращения мышц человека-оператора, HAL работал на датчиках, которые считывали электрические сигналы мозга оператора. Теоретически, экзоскелет на базе HAL-5 может позволить пользователю делать все, что он захочет, просто подумав об этом, не двигая ни единым мускулом. Но пока эти экзоскелеты — проект будущего. И у них есть свои проблемы. Например, только несколько экзоскелетов на сегодняшний день получили одобрение на использование на публике. Остальные еще проходят испытания.

Проблемы развития

 

Как-работают-экзоскелеты-3

К 2010 году проект DARPA по созданию экзоскелетов привел к определенным результатам. В настоящее время передовые системы экзоскелетов весом до 20 килограммов могут поднимать под 100 килограммов полезной нагрузки практически без усилий оператора. При этом, новейшие экзоскелеты работают тише офисного принтера, могут двигаться со скоростью 16 км/ч, выполнять приседания и прыгать.

Не так давно один из подрядчиков оборонного агентства, Lockheed Martin, представил свой экзоскелет, разработанный для поднятия тяжестей. Так называемый «пассивный экзоскелет», созданный для работников судостроительной верфи, просто переводит нагрузку на ноги экзоскелета, стоящие на земле.

Отличие современных экзоскелетов от тех, что разрабатывались в 60-х годах, в том, что они оснащаются датчиками и приемниками GPS. Тем самым еще более поднимая ставки на использование в военной сфере. Солдаты могли бы получить массу преимуществ, используя такие экзоскелеты, от точного геопозиционирования до дополнительных сверхспособностей. DARPA также разрабатывает автоматизированные ткани, которые могли бы использоваться в экзоскелетах с целью мониторинга состояния сердца и дыхания.

Если американская промышленность продолжит двигаться этим путем, у нее очень скоро появятся суперсолдаты, которые смогут не только перемещаться «быстрее, выше, сильнее», но и переносить при этом дополнительно несколько сотен полезного груза. Тем не менее, пройдет еще по меньшей мере несколько лет, прежде чем настоящие «железные человеки» выйдут на поле боя.

 

Как-работают-экзоскелеты-6

Как это часто бывает, разработки военных агентств (вспомним, например, интернет) могут принести огромную пользу в мирное время, так как технологии в конечном итоге выйдут наружу и будут помогать людям. Страдающие от полного или частичного паралича, люди с повреждениями спинного мозга и атрофией мышц смогут вести более полнокровную жизнь. Berkeley Bionics, например, испытывает eLegs, экзоскелет, работающий на аккумуляторе, который позволит человеку ходить, сидеть или просто стоять в течение длительных периодов времени.

Одно можно сказать наверняка: начало процессу бурной разработки экзоскелетов было положено в начале этого века (назовем это второй волной), а чем все закончится — станет известно очень и очень скоро. Технологии никогда не стоят на месте, и если уж инженеры за что-то берутся, то доводят это дело до логического конца.

рейтинг

5083

просмотров

0

комментариев

порекомендовать друзьям

комментарии

Нет комментариев

Гость

Дорогие друзья! Помните, что администрация сайта будет удалять:

  • Комментарии с грубой и ненормативной лексикой
  • Прямые или косвенные оскорбления героя поста или читателей
  • Короткие оценочные комментарии ("ужасно", "класс", "отстой")
  • Комментарии, разжигающие национальную и социальную рознь