Здесь приведен перевод статьи вышедшей в Armada International, выпуск 5/2010, октябрь-ноябрь. В статье дан обзор некоторых известных на тот момент экзоскелетов и технологий.

Caterpillar P-5000 Power Loader был рассчитан на переноску грузов и выполнение тяжелых ремонтных работ. В 70-х гг.20-го века был представлен отличный пример моторизированного экзоскелета, а именно, машины, которую человек мог бы носить в качестве каркаса, включающего в себя поясничную опору с моторизированными руками, кистями, ногами и ступнями, которые значительно повышали природную силу человека и позволяли ему без малейшего труда поднимать грузы весом до 4 тонн. Однако единственным недостатком P-5000 Power было то, что он не был предназначен для продажи, а являлся, скорее, звездой научно-фантастического шедевра «Чужие» (1986) Джеймса Камеруна.

Вернемся в май 2010 года, и проследим, с каким восторгом киноаудитория снова и снова следит за приводящими в трепет возможностями моторизированного экзоскелета в «Железном человеке 2», второй серии фильма, который вывел на большой экран Железного человека, комического персонажа 60-х.

Hardiman

Как проиллюстрировала массовая культура, мысли о моторизированных экзоскелетах не новы. Начиная с 60-х гг. 20 века над такими машинами работают несколько компаний. Например, Дженерал Электрик (General Electic) разработала экзоскелет Hardiman, призванный помогать его носителям поднимать грузы весом, обычно превышающим вес, который они могли бы поднять самостоятельно. С помощью Hardiman человек сможет поднять 110-кг груз, как если бы он весил четыре килограмма. Однако у Hardiman есть множество недостатков, из-за которых он так и не был протестирован с человеком-оператором, находящимся внутри экзоскелета , так как экзоскелет движется абсолютно непредсказуемо. Кроме того, Hardiman так и не нашел свое применение в военной сфере, так как его 680-кг вес не позволяет ему легко и быстро перемещаться по полю боя.

Интерес, проявленный Военными силами США к Hardiman, говорит о том, что моторизированный экзоскелет был рассчитан на военную сферу применения. Это особенно актуально сегодня. То количество экипировки, которое современный солдат должен нести, в виде электрооптического оборудования, радио, компьютерных систем управления сражением (которые могут быть, а могут и не быть в радио), батарей, защитного снаряжения, запаса воды, запасной амуниции и оружия, не говоря уже о рюкзаках с одеждой и пайком, означает, что солдат-пехотинец сильно перегружен. Например, сегодняшний солдат может быть отправлен в бой с экипировкой весом до 60 кг. Кроме того, сегодняшние сражения в основном происходят на суше, особенно в труднопроходимых для транспорта местностях, а к группам солдат предъявляются требования быстрого передвижения по зоне боевых действий.

Моторизированный экзоскелет может решить эти проблемы. Пригодный к носке костюм, он помог бы солдатам переносить их экипировку, позволяя им быстро перемещаться на поле боя. Но экзоскелет не только сделает солдат более маневренными, но также поможет снять усталость и тем самым сделает солдат более бодрыми к моменту схватки с противником.

Для своих силовых установок экзоскелеты обычно используют гидравлику с компьютерным управлением, которая получает питание либо от встроенных батарей, топливных элементов или от двигателя внутреннего сгорания. Либо они могут быть привязанными, чтобы дать возможность системе подключиться к внешнему источнику питания. И хотя это непрактично для солдата, оно полезно для тех, кто должен выполнить ремонтные и складские работы, такие как разгрузка воздушного судна или замена основного двигателя боевого танка.

Body Electric

Два основных технологических достижения, которые продвинули вперед исследования по моторизированным экзоскелетам, это снижение размеров микропроцессоров и повышение чувствительности биоэлектрических датчиков, необходимых для измерения электрических импульсов, издаваемых мышцами при движении. Последняя разработка была крайне необходима, чтобы обеспечить способность экзоскелета имитировать движения его носителя в режиме реального времени. В конечном итоге, нет смысла использовать такую машину, если для дублирования ваших действий ей требуется 1-2 секунды – особенно когда вам требуется быстро бежать или неожиданно ринуться в самый центр сражения.

Несколько высших учебных заведений сейчас выполняют важные исследования по моторизированным экзоскелетам. Один из таких проектов проводится в высшей инженерной школе Baskin School of Engineering Калифорнийского университета, которая разработала комплект прототипических экзоскелетонных рук (BSE/JM).

Lifesuit

Что касается разработки моторизированных экзоскелетов для военных областей применения, то один из наиболее значительных шагов сделал Монти Рид (Monty Reed). Рид – бывший рейнджер американской армии, который сломал спину в результате неудачного прыжка с парашютом. Пока Рид отходил от полученных от травм, ему дали почитать научно-фантастический роман Роберта Хайнлайна «Звездный десант», который позже был очень удачно экранизирован. В романе Хайнлайна есть очень яркое описание моторизированного экзоскелетонного оборудования, известного как Mobile Infantry Power Suits.

Это сподвигло Монти Рида заняться разработкой своего собственного моторизированного экзоскелета. Результатом стал его Lifesuit. С 2001 года, когда был построен его первый Lifesuit 1, уже было выпущено несколько прототипов, включая Lifesuit 6, который был способен точно имитировать человеческую походку. Последние версии включали в себя Lifesuit 12, который принимал участие в гонке, известной как Saint Patrick’s Day Dash в Сиэтле. Lifesuit 12 также установил рекорд по скорости перемещения по суше, пройдя почти 5 километров за 90 минут. Последующий Lifesuit 14 позволяет своему носителю поднимать предметы весом до 92 кг и проходить свыше 1,5 км на одном полном заряде аккумулятора.

Lifesuit был создан получившим серьезную травму рэйнджером американской армии Монти Ридом, на работу которого вдохновил научно-фантастический роман «Звездный десант». Lifesuit, созданный им впоследствии, имел множество прототипов. (С.Ньюболд (S.Newbold)

Тем не менее, разработка экзоскелетов, таких как Lifesuit, и более ранних машин, таких как Hardiman, оыень наглядно продемонстрировали те технические и физиологические трудности, которые возникают при проектировании и использовании экзоскелетов. Фактически, вооруженные силы США продолжают пристально наблюдать за разработкой таких технологий, а агентство DARPA (Агентство перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США), видя, что технология достигла достаточного уровня зрелости, начала финансировать исследования по применению технологии моторизированных экзоскелетов в военной сфере. Это привело к созданию Concepts of Operations for Exoskeletons для Программы повышения возможностей человека – инициативы, запущенной агентством в 2000 году и стоившей ему 75 миллионов долларов.

Bleex

Одним из финансируемых DARPA проектов стал экзоскелет нижних конечностей Беркли (сокр.: Bleex), который был разработан на факультете инженерной механики Калифорнийского университета в Беркли. Bleex первоначально был рассчитан на увеличение силы нижней части тела носителя экзоскелета. Первый разработанный прототип включал в себя ноги, ранцеобразный каркас и источник питания, позволяющий пользователю подниматься и спускаться по склонам, перешагивать через предметы, ходить, крутиться, садиться на корточки и сгибаться.

Bleex использует сеть из более чем 40 приводов и датчиков, которые определяют перемещения пользователя. Эта информация поступает во встроенный компьютер Bleex, который затем активирует гидравлические приводы. Приводы обеспечивают носителю экзоскелета возможность поднять груз и распределить эту нагрузку равномерно таким образом, что носитель не чувствует усталости. Тем не менее, Bleex не единственный проект моторизированного экзоскелета, в котором были задействованы инженеры-механики Беркли.

Другая инициатива включала Exohiker, прототип которого, созданный в 2005 году, позволил носителю экзоскелета переносить грузы весом до 68 кг на средней скорости в 4 км/час по 67-км полигону, используя литиевые полимерные батареи. Exohiker присоединяется к Exoclimber, который позволяет носителю переносить тот же груз, взбираясь при этом на высоту до 183 метров. Exoclimber оценили рэйнджеры американской армии в октябре 2005 года на Flat Irons Mountain Range в г. Боулдере, Колорадо, где он получил положительную оценку. Кроме вышеуказанных проектов, лаборатория Беркли задействована также в разработках Hulc (Человеческий универсальный переносчик грузов).

На факультете инженерной механики Калифорнийского университета в Беркли разработали машину Bleex (сокр. от англ. «экзоскелет нижних конечностей Беркли»), который увидел свет благодаря финансовой поддержке DARPE (Калифорнийский университет)

Hulc

Компания Lockheed Martin ведет разработку Hulc и в феврале этого года на зимнем симпозиуме ассоциации американских вооруженных сил получила возможность продемонстрировать эту самофинансируемую программу. Hulc (см. заглавное фото статьи) позволяет своему носителю переносить до 91 кг груза на скорости до 16 км/час. Фактически, Hulc позволяет своему пассажиру ползать на коленях и по-пластунски, ходить и бегать. Он использует электромоторы, питающиеся от четырех ионно-литиевых батарей, поддерживающих до 20 часов работы. Они располагаются над поясницей. Однако можно собрать дополнительную мощность, преобразуя энергию движений вниз (прикладываемую пользователем каждый раз, когда он делает шаг) в электричество, которое может течь обратно в батарею. Hulc определяет движения своего пассажира с помощью смонтированных на стопе датчиков, которые посылают информацию, касающуюся характеристик перемещения, таких как направление, на компьютер, что впоследствии «обяжет» гидравлическую систему Hulc помочь такому отдельному движению. Благодаря своей гидравлической конструкции, носитель экзоскелета может комфортно перемещаться по очень неровной поверхности, перенося тяжелый груз.

Lockheed Martin разработала дополнение к своей базовой линии Hulc, назвав его Lift Assist Device (Устройство помощи при подъеме). Оно монтируется на спине экзоскелета и работает как механизированное приспособление, помогающее пользователю поднять тяжелые грузы. Секрет Lift Assist Device заключается в противовесе, который располагает центры силы тяжести близко к пользователю во избежание опрокидывания узла и зеркально отображет систему перемещений. Этот противовес разработан специально для Hulc и использует полимерно-литиевые батареи, которые питают микропроцессор, приводя в действие приводные механизмы системы. Одной из полезных характеристик системы является то, что приводы Lift Assist Device включают в себя поглотители тепла, позволяющие осуществлять охлаждение без необходимости в дополнительных вентиляторах. Грузоподъемность Lift Assist Device составляет 68 кг.

Lift Assist Device от Lockheed Martin была разработана, чтобы завершить созданный компанией образ Hulc. Оно подсоединяется к Hulc и позволяет пользователю поднимать и переносить тяжелые грузы. (Lockheed Martin)

Xos

Lockheed Martin включилась в исследование военных моторизированных экзоскелетов благодаря фирме Raytheon. Эта фирма приобрела Sarcos, инженерную и робототехническую компанию, основанную в Юте, которая разрабатывала моторизированный экзоскелет Xos. Он использует датчики, которые определяют количество силы, прикладываемой носителем, например, для перемещения руки. Информация с датчиков затем посылается на компьютер, который делает расчет объема той помощи, которая понадобится для обеспечения этого движения через гидроприводы. Эти приводы затем перемещают кабели, которые действуют аналогично сухожилиям, перемещая конечности. В целом, в Xos имеется до 30 приводов, работающих как суставы.

Приобретение фирмой Raytheon компании Sarcos, основанной в Юте, дало компании доступ к папке с технической документацией на экзоскелет. Ожидается, что ее Xos будет разработан как костюм-прототип для вооруженных сил США для помощи в решении логистических задач. (Raytheon)

Xos находится в разработке с 2002 года, хотя его исходный прототип не был моторизирован, а работал на гидроприводах, что произошло годом позже. Окончательная демонстрация рабочего прототипа имела место в 2005 году. Исследовательские фонды сейчас поддерживают дальнейшее развитие проекта, чтобы выпустить военную версию прототипа. Кроме того, сегодняшние исследования, в основном, направлены на разработку встроенного источника питания для системы Xos, в которой в настоящее время используется проводная подача энергии от внешнего источника питания. Хотя костюм весит 68 кг, он позволяет носителю регулярно поднимать грузы весом до 91 кг. Армия США планирует использовать модели Xos для решения логистических задач, хотя дальнейшие версии можно будет использовать для военных сражений.

Несколько проектов по экзоскелетам сейчас разрабатываются как в научном мире, так и в гражданских исследованиях. Они направлены на разработку технологии, которая выйти за рамки военной отрасли. Это могла бы быть, например, экзоскелетонная реабилитационная система Университета Мериленд. (Университет Мериленд)

Миомерные волокна

Обсуждаемые выше экзоскелеты изначально выстроены вокруг каркасов с гидравлическим приводом, которые носит пользователь. Д-р Рэй Бохман из Техасского университета применил немного иной подход и работает над так называемыми миомерными волокнами. Д-р Бохман и его коллеги получили финансирование от DARPA в январе 2007 года на разработку волоконной технологии, которая задействует волокно, состоящее из горизонтальных и вертикальных линий углеродных нанотрубок. Когда электрический ток проходит через поперечные нанотрубки, они отталкиваются друг от друга, заставляя волокно расширяться со скоростью приблизительно в 4000 раз быстрее, чем человеческая мышца. Когда электричество прикладывается на поперечные нанотрубки, они сближаются, заставляя материал сокращаться. Возможно, что в будущем, миомерные волокна будут использоваться для создания волоконных костюмов, которые солдаты смогут носить вместе с блоком питания для обеспечения себя дополнительной силой по требованию, без необходимости носить громоздкий экзоскелет.

Появление экзоскелета имеет множество потенциальных применений, не только в военной сфере, но также и для помощи на производстве, в таких сферах, как строительство зданий, поиск и спасение людей, а именно, подъем и транспортировка жертв происшествий, и, о чем можно было бы и не говорить, помощь людям, страдающим от заболеваний костно-мышечной системы или потерявших конечности. В соединении с машиной, внушительная сила скелета человека сможет сделать важный шаг вперед.

Здесь приводится оригинал этой статьи.

Категория: HULC, Lifesuit, XOS 2 | Нет комментариев »

Комментарии