Экзоскелетный костюм демонстрируется армией США.
Если вы поклонник комиксов и фильмов о «Железном человеке», вы, вероятно, очарованы мощным летным доспехом, который вымышленный промышленник Тони Старк надевает, когда выходит на битву со злодеями. Разве не было бы здорово иметь кого-нибудь из них?
Вы можете быть удивлены, узнав, что когда-нибудь в скором времени лишь немного менее невероятная версия костюма Железного человека может позволить американским солдатам бегать быстрее, носить более тяжелое оружие и перепрыгивать препятствия на поле боя. И в то же время защитит их от воздействия пуль и бомб. Военные разрабатывают концепцию экзоскелета с электроприводом, технологию, предназначенную для увеличения человеческого тела и его возможностей, с 1960-х годов. Но последние достижения в области электроники и материаловедения наконец сделали эту идею практичной.
В 2010 году оборонный подрядчик Raytheon продемонстрировал экспериментальный XOS 2 - по сути, носимый робот, управляемый 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 летающий экзоскелет Springtail Exoskeleton Flying Vehicle, раму экзоскелета со встроенным реактивным ранцем, которая может летать со скоростью до 70 миль в час (112,6 километров в час) и неподвижно парить на высоте тысяч футов над землей, а также.
Но другие, помимо военных, могут извлечь выгоду из пришествия. Возможно, что когда-нибудь люди с травмами позвоночника или заболеваниями, вызывающими истощение мышц, смогут обходиться так же легко, как и люди с полной дееспособностью, благодаря устройствам для всего тела - по сути, носимым роботам - которые позволяют им делать то, что их собственные мышцы и нервы. не могу. Ранние версии таких активных экзоскелетов, такие как устройство ReWalk от Argo Medical Technologies за $ 150 000, уже находятся на рынке.
Как будущие поколения экзоскелетов с электроприводом произведут революцию как на поле битвы, так и в мирное время? И какие технические препятствия должны преодолеть исследователи и дизайнеры, чтобы сделать экзоскелеты с электроприводом действительно практичными для повседневного использования?
Во-первых, давайте посмотрим, откуда взялась эта концепция и как она развивалась.
Содержание
- История человеческого увеличения
- Морфинг Человек и Машина
- Проблемы развития
История человеческого увеличения
Воины носят доспехи на своих телах с древних времен, но идея тела с механическими мускулами появилась в научной фантастике еще в 1868 году, когда Эдвард Сильвестр Эллис опубликовал монументальный роман «Паровой человек из прерий». В книге был изображен гигантский паровой двигатель в форме гуманоида, который буксировал своего изобретателя, гениального Джонни Брейнерда, на тележке со скоростью 60 миль в час (96,5 километров в час), в то время как он преследовал буйволов и терроризировал 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 поисках «серво-солдата», который он описал как «человеческий танк, оснащенный гидроусилителем рулевого управления и тормозами с усилителем», который мог бы быстрее развлечься и поднимать тяжелые предметы, и который был бы невосприимчив к бактериальная война, отравляющий газ и даже тепло и радиация от ядерных взрывов. К середине 1960-х годов инженер Корнельского университета Нил Мизен разработал носимый каркасный экзоскелет весом в 35 фунтов (15,8 кг), получивший название «костюм супермена» или «усилитель человека», который, как радостно предсказывал журнал Popular Science, в конечном итоге позволит пользователю поднять 1000 фунтов (453,6 кг) каждой рукой. Тем временем General Electric разработала план устройства «педипулятор» высотой 18 футов (5,5 метра), который будет переносить оператора внутри.
Эти концепции оказались непрактичными, но исследования продолжались. В 1980-х годах ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории создали конструкцию так называемого костюма Питмана - экзоскелета с полным приводом для использования пехотинцами армии США. Но это осталось на чертежной доске. В 1990-х годах исследовательская лаборатория армии США на Абердинском полигоне занималась созданием костюма, который на самом деле имел некоторое сходство с костюмом Железного человека, но и этот проект так и не получил никакого результата.
В течение многих лет потенциальные производители экзоскелетов были в тупике из-за ограничений технологий. 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 исполнительные механизмы, электромеханические мышцы, которые могли бы двигать экзоскелет, были слишком слабыми и громоздкими, чтобы работать как человеческое тело. Тем не менее, идея механизированного, бронированный супер-солдат еще заманчивые генералов армии, а ученые и конструкторы продолжали маяться прочь на возможностях.
Дальше мы рассмотрим прогресс, достигнутый ими в решении этих проблем и разработке практического экзоскелета с электроприводом.
Морфинг Человек и Машина
Художественная концепция того, как будут выглядеть будущие солдаты в экзоскелетных машинах.
В 2000-х годах поиски настоящего костюма Железного человека наконец-то начали приносить плоды.
Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), инкубатор Пентагона по экзотическим передовым технологиям, выделило средства на программу «Экзоскелеты для повышения работоспособности человека» стоимостью 75 миллионов долларов. Список желаний DARPA для силового бронекостюма был довольно амбициозным: ему нужна была машина, которая позволила бы солдату без устали тащить сотни фунтов снаряжения в течение нескольких дней, обращаться с большим тяжелым оружием, которое обычно требует двух операторов, и иметь возможность нести других раненых солдат за пределами поля на спине. Он также хотел, 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 под названием Sarcos, возглавляемая создателем роботов Стивом Якобсеном, в предыдущие проекты которого входил 80-тонный механизированный динозавр, разработала инновационную систему, в которой датчики обнаруживают сокращение мышц человека-пользователя и используют их для управления серией клапаны, которые, в свою очередь, регулируют поток гидравлической жидкости высокого давления к соединениям. Эти механические соединения затем перемещают цилиндры с прикрепленными к ним кабелями, чтобы имитировать сухожилия, прикрепляющие 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 устройством, наиболее близким к видению военных, и проект перешел в стадию разработки. В конце концов Sarcos был приобретен Raytheon, который продолжил работу.
Тем временем другие компании, такие как Berkeley Bionics, работали над уменьшением количества энергии, необходимой для протезов, чтобы экзоскелет с электроприводом мог работать в полевых условиях достаточно долго, чтобы быть практичным. Сообщается, что одна из разработок середины 2000-х, Human Load Carrier, могла проработать 20 часов без подзарядки.
Ближе к концу десятилетия японская компания Cyberdyne разработала костюм робота HAL - еще более гениальную концепцию. Вместо того, чтобы полагаться на сокращения мышц оператора для движения конечностей, HAL включил датчики, которые улавливали электрические сообщения, отправляемые мозгом оператора. Теоретически экзоскелет, основанный на концепции HAL-5, позволит пользователю делать все, что он или она хочет, не двигая мускулами, просто думая об этом.
Дальше мы рассмотрим текущее состояние экзоскелетов с электроприводом и то, к чему эта технология может вскоре привести.
Проблемы развития
К 2021 году в рамках проекта экзоскелета Управления перспективных исследовательских проектов (DARPA) были созданы некоторые многообещающие технологии. Network World сообщает, что современные системы, которые весят около 55 фунтов (25 килограммов), могут позволить операторам переносить 200 фунтов (91 килограмм) веса с минимальными усилиями или без них и значительно меньшим утомлением. 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 ползания в дополнение к подъему. Компания Raytheon была настолько уверена в своих перспективах, что в 2010 году выпустила видео с участием Кларка Грегга, одного из актеров франшизы «Железный человек», который повествовал повествование как экзоскелет второго поколения, рубивший дрова в карате, отжимающийся и поднял тяжести.Между тем, его коллега по оборонному подрядчику Lockheed Martin работает над конкурирующим экзоскелетом, предназначенным для подъема тяжелых грузов, способным переносить вес тяжелых грузов на землю через роботизированные ноги экзоскелета в нижней части тела. Компания заявляет, что экзоскелет также может выполнять глубокие приседания, ползание и подъем верхней части тела с минимальными человеческими усилиями.
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 сердечного ритма и частоты дыхания.
Если американские военные добьются своего, у них появятся толпы суперсолдат, которые смогут прыгать выше, быстрее бегать и поднимать огромный вес, привязывая 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 также могут 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, работающий от перезаряжаемой батареи, который разработан, чтобы позволить инвалиду ходить, вставать из сидячего положения без посторонней помощи и стоять в течение длительного периода времени.
