Если вы являетесь поклонником комиксов и фильмов о «Железном человеке», вы, вероятно, очарованы силовым, способным к полету доспехом, который вымышленный промышленник Тони Старк надевает, когда отправляется в бой. злодеи. Было бы здорово, если бы рядом был один из них?
Возможно, вы удивитесь, узнав, что когда-нибудь совсем немного менее невероятная версия костюма Железного человека может позволить американским солдатам бегать быстрее, носить более тяжелое оружие и перепрыгивать через препятствия на поле боя. И в то же время защитит их от воздействия пуль и бомб. Военные работают над концепцией экзоскелета с электроприводом, технологии, предназначенной для увеличения человеческого тела и его возможностей, с 1960-х годов. Но последние достижения в области электроники и материаловедения наконец-то сделали эту идею практичной.
В 2010 году оборонный подрядчик Raytheon продемонстрировал экспериментальный XOS 2 - по сути, носимого робота, управляемого человеческим мозгом, - который может поднимать в два-три раза больше веса, чем человек без посторонней помощи, без каких-либо усилий со стороны пользователя.. Другая компания, Trek Aerospace, разрабатывает летательный аппарат Springtail Exoskeleton Flying Vehicle, каркас экзоскелета со встроенным реактивным ранцем, который может летать со скоростью до 70 миль в час (112,6 км в час) и неподвижно парить в тысячах футов над землей., а также.
Но другие, помимо военных, могут извлечь выгоду из появления. Вполне возможно, что когда-нибудь люди с травмами позвоночника или заболеваниями, вызывающими атрофию мышц, смогут передвигаться так же легко, как и полноценные люди, благодаря устройствам для всего тела - по сути, носимым роботам, - которые позволяют им делать то, что могут их собственные мышцы и нервы. т. Ранние версии таких экзоскелетов с электроприводом, такие как устройство ReWalk от Argo Medical Technologies стоимостью 150 000 долларов, уже представлены на рынке.
Как будущие поколения экзоскелетов с электроприводом произведут революцию как на поле боя, так и в мирном мире? И какие технические препятствия должны преодолеть исследователи и дизайнеры, чтобы сделать экзоскелеты с электроприводом по-настоящему практичными для повседневного использования?
Во-первых, давайте посмотрим, откуда взялась эта концепция и как она развивалась.
История аугментации человека
Воины носят доспехи на теле с древних времен, но идея тела с механическими мышцами появилась в научной фантастике еще в 1868 году, когда Эдвард Сильвестр Эллис опубликовал десятицентовый роман «Паровой человек из прерий».." В книге изображена гигантская паровая машина в форме гуманоида, которая буксирует своего изобретателя, гениального Джонни Брейнерда, в повозке со скоростью 60 миль в час (96,5 километров в час), преследуя буйволов и терроризируя индейцев.
К 1961 году, за два года до того, как Marvel Comics создала вымышленного Железного человека, Пентагон фактически предложил предложения по созданию реальных носимых роботов. В статье Associated Press сообщалось о стремлении разработать «сервосолдата», который описывался как «человек-танк, оснащенный гидроусилителем руля и тормозами с усилителем», который мог бы быстрее развлекаться и поднимать тяжелые предметы, и который был бы невосприимчив к бактериологическая война, ядовитый газ и даже тепло и радиация от ядерных взрывов. К середине 1960-х годов инженер Корнеллского университета Нил Мизен разработал 35-фунтовый (15,8-килограммовый) носимый экзоскелет, получивший название «костюм супермена» или «усилитель человека». поднять 1000 фунтов (453,6 кг) каждой рукой. Тем временем General Electric разработала планы устройства высотой 18 футов (5,5 метра), так называемого «педипулятора», который будет перемещать своего оператора внутри.
Эти концепции оказались непрактичными, но исследования продолжались. В 1980-х годах ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали конструкцию так называемого костюма Питмана, экзоскелета, работающего на все тело, для использования У. Пехотинцы С. Армии. Но так и осталось на чертежной доске. В 1990-х годах Исследовательская лаборатория армии США на Абердинском испытательном полигоне исследовала создание скафандра, который на самом деле имел некоторое сходство с костюмом Железного человека, но и этот проект так и не был реализован.
В течение многих лет потенциальные производители экзоскелетов были в тупике из-за ограничений технологии. Компьютеры были слишком медленными и слабыми, чтобы выполнять обработку, необходимую для того, чтобы костюм реагировал на команды или движения владельца. Не было источника энергии, который был бы достаточно портативным, а приводы, электромеханические мышцы, которые приводили бы в движение экзоскелет, были слишком слабыми и громоздкими, чтобы работать как человеческое тело. Тем не менее, идея механизированного, бронированного суперсолдата по-прежнему привлекала армейских генералов, а ученые и конструкторы продолжали трудиться над ее возможностями.
В следующем разделе мы рассмотрим прогресс, достигнутый ими в решении этих проблем и разработке практичного экзоскелета с электроприводом.
Трансформирующийся Человек и Машина
В 2000-х поиски реального костюма Железного человека наконец-то начали приносить плоды.
Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), инкубатор Пентагона для экзотических, передовых технологий, выделило средства на программу экзоскелетов для увеличения производительности человека стоимостью 75 миллионов долларов, чтобы ускорить процесс. Список желаний DARPA для силового бронированного костюма был довольно амбициозным: ему нужна была машина, которая позволила бы солдату без устали таскать сотни фунтов снаряжения в течение нескольких дней, обращаться с большим тяжелым оружием, для которого обычно требуется два оператора, и иметь возможность нести других раненых солдат. с поля на спине. Также хотелось, чтобы машина была неуязвима для стрельбы и могла прыгать очень-очень высоко. Некоторые исследователи отвергли эту идею как невозможную, но другие были готовы мыслить масштабно.
Компания Sarcos, возглавляемая создателем роботов Стивом Джейкобсеном, чьи предыдущие проекты включали 80-тонного механизированного динозавра, разработала инновационную систему, в которой датчики обнаруживают сокращения мышц человека и используют их для работы. ряд клапанов, которые, в свою очередь, регулируют подачу гидравлической жидкости под высоким давлением к соединениям. Затем эти механические соединения перемещают цилиндры с прикрепленными к ним кабелями, имитируя сухожилия, крепящие человеческие мышцы. Результатом стал экспериментальный прототип под названием XOS, который выглядел как гибрид человека и насекомого из научно-фантастического фильма. К 2005 году XOS стал наиболее близким к видению военных устройством, и проект перешел в стадию разработки. В конце концов Sarcos был приобретен компанией Raytheon, которая продолжила работу.
Тем временем другие компании, такие как Berkeley Bionics, работали над уменьшением количества энергии, необходимой для протезов, чтобы экзоскелет с электроприводом мог функционировать в полевых условиях достаточно долго, чтобы быть практичным. Сообщается, что одна разработка середины 2000-х, Human Load Carrier, могла работать в течение 20 часов без подзарядки.
Ближе к концу десятилетия японская компания Cyberdyne разработала костюм робота HAL, еще более оригинальную концепцию. Вместо того, чтобы полагаться на сокращения мышц человека-оператора для движения конечностей, HAL включил датчики, которые улавливали электрические сообщения, посылаемые мозгом оператора. Теоретически экзоскелет, основанный на концепции HAL-5, позволит пользователю делать все, что он или она хочет, не двигая мышцами, просто думая об этом.
В следующем разделе мы рассмотрим современное состояние экзоскелетов с электроприводом и то, к чему вскоре могут привести технологии.
Проблемы развития
К 2010 году проект экзоскелета Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) позволил разработать многообещающую технологию. Network World сообщает, что современные системы, которые весят около 55 фунтов (25 кг), могут позволить людям-операторам нести 200 фунтов (91 кг) веса практически без усилий и значительно меньше утомляемости. Кроме того, новейшие экзоскелеты работают тише, чем типичный офисный принтер, и могут работать со скоростью 10 миль в час (16 километров в час) и выполнять приседания и ползание в дополнение к подъему тяжестей. Raytheon была настолько уверена в своих перспективах, что в 2010 году выпустила видео, в котором Кларк Грегг, один из актеров кинофраншизы «Железный человек», ведет повествование в роли экзоскелета второго поколения, рубящего дрова, выполняя отжимания и поднимал тяжести.
Тем временем коллега-подрядчик по обороне Lockheed Martin работает над конкурирующим экзоскелетом, предназначенным для подъема тяжестей, с возможностью переноса веса от тяжелых грузов на землю через роботизированные ноги экзоскелета нижней части тела. Компания заявляет, что экзоскелет также способен выполнять глубокие приседания, ползание и подъем верхней части тела с минимальными усилиями человека.
Эти экзоскелетные машины также будут оснащены датчиками и приемниками глобальной системы позиционирования (GPS). Солдаты могут использовать эту технологию для получения информации о местности, которую они пересекают, и о том, как ориентироваться в определенных местах. DARPA также разрабатывает компьютеризированные ткани, которые можно использовать с экзоскелетами для контроля частоты сердечных сокращений и дыхания.
Если американские военные добьются своего, у них будут толпы суперсолдат, которые смогут прыгать выше, бегать быстрее и поднимать огромный вес, привязав к себе эти экзоскелеты. Тем не менее, может пройти как минимум несколько лет, прежде чем настоящий Железный Человек выйдет на поле битвы.
Между тем экзоскелеты с электроприводом могут также принести огромную пользу и в мирное время, поскольку в конечном итоге технология может позволить людям с травмами позвоночника или инвалидизирующими нервно-мышечными заболеваниями вести более полноценную жизнь. Berkeley Bionics, например, тестирует eLegs, экзоскелет с питанием от перезаряжаемой батареи, который предназначен для того, чтобы человек с ограниченными возможностями мог ходить, вставать из сидячего положения без посторонней помощи и стоять в течение длительного периода времени.