Здесь представлена попытка Александра Митскевича разобраться в вопросе истории изобретения экзоскелетов.И судя по его данным, русский изобретатель самоучка, был в этом вопросе первым.И было это в 1890г.

В этом году новостные сообщения об экзоскелетах посыпались как из рога изобилия. В качестве примеров приведу некоторые из этих новостей, а также небольшой фотоколлаж,чтобы можно было иметь представление о современном состоянии развития экзоскелетов.

В последние годы сообщений на эту тему было достаточно много. Можно вспомнить, например статью «Кибернетические штаны поднимают своего хозяина по лестнице» опубликованную еще в марте 2004 года, где рассказывалось о первом в мире коммерческом роботизированном экзоскелете HAL-3, созданным в лаборатории Cybernics японского университета Цукубы (Tsukuba University). Или более позднее (май 2008 года) сообщение «Костюм Raytheon умножает силу человека в 20 раз» в котором рассказывалось об экзоскелете XOS американской компании Raytheon, разрабатываемого по заказу военного ведомства США.

Даже в сообщениях 2-х – 3-х летней давности, не говоря уже о более поздних, хоть и рассказывалось о разработках экзоскелетов с восхищением, как о высокотехнологичном направлении развития современной науки и техники, тем не менее, подразумевалось, что это все же экзотика, которая не скоро найдет реальное применение. Вот характерный вывод, который был сделан в 2002 году в статье Солдат будущего должен быть немножко киборгом:

«Вероятность того, что в будущем году военные получат желаемый «экзоскелет» невелика — имеющихся наработок явно недостаточно, разве что внезапно отыщется гений».

В 2008 году экспериментальные образцы экзоскелетов были намного лучше, но оптимизм был не намного больше: Судя по всему, сейчас на всём белом свете на роль супергероя в суперкостюме может сразу претендовать не более одного человека — по количеству действующих прототипов экзоскелета… Конечно, пройдёт несколько лет, и … экзоскелеты станут обычным делом в армейском вооружении. Будем надеяться, что это произойдёт в очень скором времени.»

Однако в этом году (2010) не только увеличился поток информации по этому направлению, но и оптимизма по поводу реальности применения экзоскелетов явно прибавилось. Вот последние сообщения на эту тему:
Оборонщики США создали второго Железного человека
Американцы создали новый экзоскелет для инвалидов
Журнал Time назвал пять лучших военных изобретений 2010 года

А вот характерный оптимистический вывод: Однако у публики постоянно возникает главный вопрос — «так когда?» Когда костюмы железных людей примерят солдаты? Raytheon намерена довести свой проект до внедрения. «Мы ожидаем, что экзоскелеты появятся на театре военных действий примерно через пять лет в привязанной версии и, возможно, через три-пять лет после этого — уже в автономном варианте», — утверждает Смит.

Из последних сообщений можно сделать также вывод, что экзоскелет как понятие, как техническая система, как машина и т.д. … уже практически состоялся. Значит, о нем уже можно и стоит написать небольшой рассказ об истории его создания, ответив также на вопрос о его первом изобретателе.

Начну, как обычно, с определения.

Вот что говорит по этому поводу «всезнающая» Википедия:

Экзоскелет (от греч. έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для увеличения мускульной силы человека за счёт внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях.

Тут вроде все ясно и понятно. Должны быть датчики, которые следят за состоянием тела человека, движением его ног, рук, мышц (а в будущем, возможно за его мыслями), механический скелет с системой приводов конечностей и компьютерная программа, работающая на основе математической модели движения человеческого тела, которая на основе данных с датчиков управляет всем этим экзоскелетом. И конечно, если надо получить автономный аппарат, необходим легкий и энергоемкий источник энергии.

Судя по сообщениям в прессе, в настоящее время проблемы с механической частью экзоскелетов и их программным обеспечением решены, хотя конечно нет предела совершенствованию, которое происходит постоянно. Серьезным препятствием для массового (впрочем, не только массового) внедрения экзоскелетов является отсутствие подходящих автономных источников энергии. Самые современные аккумуляторные батареи пока не обеспечивают экзоскелетам время работы необходимое для их практического применения. Однако прогресс в развитии источников энергии идет очень большими темпами, что и обеспечивает оптимизм разработчиков, у которых пока есть время для совершенствования своих аппаратов.

Сейчас вырисовываются два направления практического использования экзоскелетов: военное, где безусловным лидером являются США, и медицинское — для помощи людям с ограниченными возможностями передвижения, где больших успехов добились в Японии. Думаю, что в будущем, для экспедиций на другие планеты, будут разработаны также космические скафандры со встроенными экзоскелетами, т.к. работать и таскать на себе по поверхности Марса, вместе со скафандром, еще и систему жизнеобеспечения, космонавтам будет очень трудно.

Если говорить о современных военных разработках, то стоит упомянуть также систему HULC (Human Universal Load Carrier), которой занимается гигант аэрокосмической индустрии Lockheed Martin. Было также сообщение, что военное ведомство России заинтересовано в развитии этой технологии, финансируя работы над экипировкой «Боец-21» в которой будут присутствовать элементы экзоскелетных конструкций. Финансирование науки это всегда хорошо. Однако, в России еще важно, сколько действительно пойдет ученым и в промышленность, а сколько раскрадут чиновники. Если не все раскрадут, возможно, и у них что-то получиться.

Если попытаться провести классификацию экзоскелетов, то по параметрам энергообеспечения их можно разделить на два класса: пассивные и … хотелось бы сказать активные, но по-английски они называются рowered exoskeleton, т.е. силовой, приводной (с приводом), с подводом энергии, …

С силовыми экзоскелетами все понятно – основная масса современных разработок относится именно к таким аппаратам, где для выполнения работы используется источник энергии. Чтобы понять, что такое пассивный экзоскелет, можно вспомнить определение понятия ходьба, которое я услышал уже достаточно давно в передаче «Очевидное-Невероятное». Там был сюжет о разработке шагающих устройств, если не ошибаюсь, в институте механики МГУ. И было дано странное, на первый взгляд определение, что ходьба это упорядоченное падение.

Очевидно, что ходьба (бег) процесс циклический, и там есть этап «падения», во время которого можно запасать кинетическую энергию, используя ее на следующем за падением этапе подъема (взлета). Идея достаточно очевидна, поэтому в некоторых современных экзоскелетах, даже после использования всей энергии аккумуляторов, бегать будет легче, чем без него. Очевидно, что без энергии такой экзоскелет будет работать как пассивный.

Но наиболее ярким примером пассивного экзоскелета может служить т.н. тренажеры-джамперы, которые сейчас наиболее известны как powerskip, а первоначально назывались пауэрбоками по фамилии своего изобретателя Александра Бока (Alexander Bock) из Германии. Эти устройства достаточно просты, хоть и сделаны из прочных и дорогих материалов (в т.ч. из композиционных). Тем не менее, надев их, человек наделяется уникальными возможностями бегать со скоростью 40 км/ч, прыгать вверх до двух и в длину до трех метров. Принцип действия этого тренажера можно понять, взглянув на рисунок из патента США №6719671, выданного Александру Боку.

Как можно видеть из рисунка, основной движущей силой в этом устройстве является пружина 1, изготовленная из композиционных материалов. При прыжке, во время фазы падения, эта пружина сжимается, а затем разжимается, увеличивая тем самым возможности человека.

Разработкой и производством тренажеров PowerSkip занимается фирма ALANSportartikel GmbH из Германии, которая, впрочем, не является монополистом на рынке, т.к. по её лицензии джамперы выпускают и другие компании.

Ну а теперь традиционный вопрос: — Кто изобрел экзоскелет?

В той, же Википедии есть еще одно определение экзоскелета, которое относится к животному миру. Не могу не привести его:

Экзоскелет — внешний тип скелета у некоторых беспозвоночных животных. Самые старые окаменелые экзоскелеты датируются временем приблизительно 550 миллионов лет назад. Экзоскелет характерен для большинства беспозвоночных, у которых он представлен в виде раковины (многие простейшие, моллюски) или кутикулы (хитиновый панцирь членистоногих).

Если походить дальше по ссылкам, то можно найти вот это:

Беспозвоночные (лат. Invertebrata) распределены по более, чем двадцати равноправным группам высокого ранга — типам (наиболее крупные из которых — членистоногие, круглые черви и моллюски).Членистоногие (лат. Arthropoda) — тип первичноротых животных, включающий насекомых, ракообразных, паукообразных и многоножек. По количеству видов и распространённости может считаться самой процветающей группой живых организмов. Количество видов членистоногих превышает количество видов всех остальных животных вместе взятых.

Так что же получается – ЭКЗОСКЕЛЕТЫ вокруг нас!И мало того, они преобладают в этом мире.Из всего этого разнообразия видов животных, лично мне, с эстетической точки зрения, да и, пожалуй, с кулинарной, больше нравятся ракообразные. Вот они красавцы — живые экзоскелеты.

А вот этот экзоскелет понравиться не всем, хотя и с эстетической и кулинарной стороны у него есть поклонники.

Исходя из этих последних данных, можно сделать вывод: экзосколет изобрела Природа. Изобрела и очень активно его использует в своих творениях. А человек, в какой-то момент, почувствовав свою беспомощность, решил, опираясь на свой интеллект, пойти по пути природы, также создав для себя экзоскелет.Это конечно шутка, в которой есть очень большая доля правды.

А если серьезно, то кто же, если не изобрел, то хотя бы первый придумал экзоскелет? Может быть писатели-фантасты? Почему бы и нет? Лично я первый экзоскелет увидел в фантастическом фильме «Чужие». На самом деле это был погрузчик Caterpillar Power Loaders P-5000, который использовался при погрузочных работах на космических кораблях. Но мне больше запомнился эпизод, когда лейтенант Эллен Рипли (Ellen Ripley), в исполнении Сигурни Уивер (Sigourney Weaver), с помощью этого устройства, сражалась с космическим монстром.

Все правильно, писатели-фантасты придумали много чего, в том числе додумались до применения экзоскелетов во время космических полетов. Вот цитата из романа Ивана Ефремова «Туманность Андромеды».

В шлюзовой камере у выхода были заранее приготовлены биологические скафандры и «прыгающие скелеты» — стальные, обшитые кожей каркасы с электродвигателем, пружинами и амортизаторами для индивидуального передвижения при увеличенной силе тяжести, которые надевались поверх скафандров.
Туманность Андромеды
Иван Антонович Ефремов

Не берусь утверждать, что Ефремов был первым, но одним из первых, это точно, поскольку роман вышел в 1957 году. Но, придумать и написать легче, чем придумать и сделать. Писатели уж точно были не первыми, кто экзоскелет пытался изготовить.

Считается, что первыми начали работать над проектом экзоскелета специалисты компании General Electric. И с этим утверждением, пожалуй, можно согласиться. А начался этот проект в начале 60-х годов 20-го столетия, ненамного отстав по времени от публикации романа Ефремова. Время было такое – время великих научных свершений, когда реальность не отставала от предвидений фантастов, а иногда даже опережала.

Заказчиком проекта, как это часто бывает, выступали военные. Их совместное детище, получившее название Hardiman, представляло собой громоздкую конструкцию весом 680 кг с электро-гидравлической трансмиссией, которая позволяла поднимать груз весом до 110 кг при усилии оператора на руку 4,5 кг.

Но как обычно бывает со сложными конструкциями, первый блин оказался комом. Питание подавалось через внешний кабель. Не уверен, что там присутствовало компьютерное управление, как из-за несовершенства самих компьютеров, так и из-за отсутствия на тот момент адекватной математической модели. В результате, попытки использовать полный комплект экзоскелета приводила к неконтролируемым движениям последнего (падению), хотя отдельные его элементы (например, рука) успешно работали. Hardiman так никогда и не был протестирован с человеком внутри.
Но начало было положено. Появился опыт, который позволил следующим разработчикам двигаться дальше, а не начинать с нуля. Проект Hardiman I в 1971 году был закрыт из-за отсутствия перспектив его развития. Но остались отчеты, которые при желании можно найти и скачать в формате PDF, либо купить на пленке (такая услуга существует в National Technical Information Service). Вот некоторые из них:

GE Company, «Research and Development Prototype for Machine Augmentation of Human Strength and Endurance. Hardiman I Project.» — Report s-71-1056. Jan 70-30 Apr 71. NTIS Order Number: AD-724797
GE Company, «Hardiman I Prototype Project: Special Interim Study,» Report s-68-1060, Schenectady, New York (1968).
GE Company, «Final Report on Hardiman I Prototype for Machine Augmentation of Human Strength and Endurance,» Schenectady, New York (1971).

Далее последовали два десятилетия не то чтобы застоя, исследования и разработки, конечно, велись, но не было больших прорывов, вероятно, из-за небольшого финансирования. Но опыт и знания, тем не менее, накапливались. Параллельно с этим проходили изменения в смежных областях: вычислительной технике, элементах питания, материалах, системах управления и т.д. Все это пригодилось, когда начался прорыв в этой области. А произошло это, когда об экзоскелетах снова вспомнили военные.

В 2001 году Агентство Передовых Оборонных Исследовательских Проектов (DARPA — Defense Advanced Research Projects Agency) Министерства обороны США начало семилетнюю программу Exoskeletons for Human Performance Augmentation Program, выделив на неё $75 миллионов. Были рассмотрены проекты от 14 компаний и университетов. На первой фазе проекта были выбраны:Sarcos Research Corporation, Университет Калифорнии в Беркли и Oak Ridge National Laboratory. На втором этапе проекта остались Sarcos и Университет Беркли. На заключительном этапе программы, который начался в 2004 году основным подрядчиком для разработки и развития быстрых, бронированных и мощных систем экзоскелетов была выбрана Sarcos Research Corporation. Вскоре Sarcos была приобретена более крупной компанией Raytheon, занимающейся выполнением различных оборонных заказов. Однако работы над экзоскелетоми были продолжены, и судя по сообщениям, весьма успешно.

Современное состояние работ в области разработки и производства экзоскелетов весьма интересно и, как мне кажется, необъятно, которое невозможно отобразить в одной статье (сообщении). Если кому мало уже приведенных ссылок, могу порекомендовать еще одну, где рассказано об основных (но далеко не всех) разработках последнего десятилетия: ЭКЗОСКЕЛЕТ.

Информации по этой тематике, как я уже говорил, достаточно много. Кроме новостей и обзоров из интернета, я просматривал патенты, относящиеся к экзоскелетам, которых было зарегистрировано в последние годы немало. Также внимательно изучал научные публикации, которые мне удалось найти, например вот эту статью (хотя это возможно автореферат диссертации):

Design of a Quasi-Passive Parallel Leg Exoskeleton to Augment Load Carrying for Walking.

А вот рисунок из этого документа.

Или вот еще один рисунок из статьи: Herr, Hugh. “Exoskeletons and orthoses: classification, design challenges and future directions.” Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 6.1 (2009): 21.

А изучал я их на предмет поиска ссылок на самые первые публикации об экзоскелете, чтобы ответит на вопрос, кто же его изобрел. И обратил внимание, что самые давние ссылки относятся к патентам США 1890 года, выданные некоему Николасу Ягну (Nicholas Yagn). Таких патентов оказалось пять:406328, 420178, 420179, 438830, 440684. Название, почти у всех одинаковое: Apparatus for facilitate walking running, and jumping, что можно перевести как -Аппарат для облегчения ходьбы, бега и прыгания. Если обратить внимание на первые строчки описания этих патентов, то можно прочесть следующее: Be it known that I, Nicholas Yagn, a subject of the Emperor of Russia, and residing at St.Petersburg, Russia, have invented …

Невероятно, но факт – приоритет в изобретении экзоскелета принадлежит России, русскому изобретателю! И этот факт не подлежит сомнению, это признают даже американцы.
Наконец-то есть изобретение, которое бесспорно изобрел русский человек. А то, видите ли, электрическую лампочку изобрел не Ладыгин а Эдисон, радио не Попов а Маркони, телевидение не Зворыкин а …, и так до бесконечности! А в этом случае можно с уверенностью ответить на вопрос — Кто изобрел экзоскелет?

Николай Александрович Ягн – изобретатель экзоскелета.

К большому сожалению, информации о жизни и деятельности этого русского изобретателя очень мало. Все, что есть в интернете о нем, это перепечатка статьи из энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона (1890—1907). Мне ни чего не остается, как процитировать этот замечательный энциклопедический словарь.

Николай Александрович Ягн (1849—1905) — известный российский изобретатель-самоучка.Учился в Петровско-Разумовской земледельческой академии. В 20 лет он уже выступил со своими первыми изобретениями: гигрометром, сделанным для физического кабинета академии, и пульсирующим насосом, с которым потом работали Д. И.Менделеев и профессор Кирпичёв. За эти изобретения Ягн получил диплом инженер-механика. Пробыв в академии 3 года, Ягн её покинул, стремясь к такой работе, где ему можно было бы применять свои технические познания и вскоре поступил на чугунолитейный завод Воейкова в Симбирской губернии.

В своих дальнейших изобретениях Ягн руководился стремлением облегчить и обезопасить труд рабочего. Так, несчастный случай на заводе натолкнул его на изобретение «Друга кочегара» — приспособления для автоматического наполнения парового котла и поддержания в нём воды на определённом уровне. Усовершенствовав его при содействии коммерсанта Копфельда на его заводе в Дрездене, Ягн получил за него золотую медаль на выставке в Филадельфии. По возвращении из Америки Ягн изобрёл охлаждающие занавески, гидромотор (работавший на Неве и в Лионе), качающийся винт, эластипед (приспособление для облегчения ходьбы, главным образом, солдат), самовар-стерилизатор, опреснитель, сушилку для овощей, солеварку, простую, но чрезвычайно остроумную герметическую пробку.

Он занимался ещё воздухоплаванием и получил почётный диплом с последней парижской выставки за аэроплан. Во время Русско-японской войны морское ведомство предложило русским изобретателям выработать тип подводной лодки. Ягн составил проект подводной лодки совершенно новой системы. Из его печатных трудов общего характера наиболее известна «Гипотеза мироздания».
Материал из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона (1890—1907).

Была еще статья Г.Черненко «Забытый изобретатель Николай Ягн», опубликованная в пятом номере (N5) журнала «Изобретатель и рационализатор» за 1999 год. К сожалению, архивы с содержанием журнала на сайте есть только с 2001 года. Не удалось найти этот номер ни в одной сетевой библиотеке. Так что статью эту прочесть пока не удалось, поэтому и информации о Николае Ягне больше никакой не привожу.

А вот о его изобретениях можно рассказать, тем более что список некоторых из них уже приведен выше.
Закончу сначала с экзоскелетами, которые в России начала 20-го века получили название -Эластипед, и предназначались для облегчения ходьбы, бега и прыжков, главным образом солдат. Как видно, уже тогда предполагалось их военное применение.

Кроме вышеперечисленных патентов, связанных с экзоскелетами, удалось найти еще несколько американских патентов Николая Ягна. Нельзя с уверенностью сказать, что это все его патенты, однако и по ним можно сделать вывод, что поездка в Америку была довольно продолжительной (около 20-ти лет), и в творческом отношении (как изобретателя) удачной. Думаю, что и в финансовом плане сложилось все хорошо, иначе, зачем было регистрировать столько патентов. Вот список патентов США полученных Николаем Ягном.

165435. Feeding-Apparatus for Steam-Boilers. Patented July 13, 1875.
185656. Improvements in automatic steam-boiler feeders. Patented Dec. 26, 1876.
273930. Hydraulic Motor. Patented Mar. 13, 1883.
308544. Hydraulic Motor. Patented Nov. 25, 1884.
308588. Device for transmitting power by belts and pulleys. Patented Nov. 25, 1884.
310770. Hydraulic motor. Patented Jan. 13, 1885.
333805. Screw propeller. Patented Jan. 5, 1886.
406326. Apparatus to facilitate walking and running, Patented July 2, 1889.
420178. Apparatus for facilitate walking running, and jumping, Patented Jan. 28, 1890.
420179. Apparatus for facilitate walking running, and jumping, Patented Jan. 28, 1890.
438830. Apparatus for facilitate walking running, and jumping, Patented Oct. 21, 1890.
440684. Apparatus for facilitate walking running, and jumping, Patented Nov. 18, 1890.
452001. Rubber tire for vehicles. Patented May 12, 1891.
545116. Apparatus for sterilization of water. Patented Aug. 27, 1895.

Рискну предположить, что патенты США №165435 — Feeding-Apparatus for Steam-Boilers и №185656 — Improvements in automatic steam-boiler feeders это и есть «Друга кочегара». Нетрудно догадаться, что патенты 273930 и 308544 это и есть его гидромотор, работавший на Неве и в Лионе, а патент №338805 — Screw propeller это качающийся винт.
Довольно интересные изобретения и сделаны они в направлениях, которые актуальны и в наше время. Гидромотор, как я полагаю, с современной точки зрения можно отнести к альтернативным видам энергетики и возобновляемым источникам энергии, а именно к малой гидроэнергетике. А качающийся винт, это, скорее всего то, что сейчас относиться к движителям судов и самолетов с переменным вектором тяги, которые позволяют более эффективно управлять транспортными средствами.

А вот и самовар-стерилизатор, или как он еще называется согласно патенту США №.545116 — Apparatus for sterilization of water. Тут и керосиновая лампа в качестве источника нагрева, и теплообменник и многое другое. Все сделано компактно и красиво. Но меня все не покидает мысль, что похож он на что-то другое. Наверно это тот случай, когда говорят: чтобы русский человек не изобретал, все равно самогонный аппарат получается. 🙂

Как можно заметить, диапазон интересов Николая Ягна, как инженера и изобретателя, был очень широк. Его изобретения оригинальны и очень интересны. При этом, почти все нашли практическое применение. Без сомнения, Николая Александровича Ягна можно отнести к выдающимся изобретателям, который действительно незаслуженно забыт.

Категория: История | 9 комментариев »

Комментарии