Ett halvt sekel efter arbetet med exoskeletons arbete är de första proverna av denna utrustning redo att gå till fullvärdigt arbete. Lockheed Martin skrytte nyligen med att projektet HULC (Human Universal Load Carrier) inte bara har testats på fältet med Pentagon, utan också är redo för serieproduktion. Exoskeleton HULC andas nu i ryggen av flera liknande projekt från andra företag. Men ett sådant överflöd av mönster var inte alltid.
Faktum är att idén om att skapa vilken enhet som helst som kan bäras av en person och avsevärt förbättra hans fysiska egenskaper dök upp under första halvan av förra seklet. Men fram till en viss tid var det bara en annan uppfattning om science fiction -författare. Utvecklingen av ett praktiskt tillämpbart system startades först i slutet av femtiotalet. General Electric, i regi av den amerikanska militären, startade ett projekt som heter Hardiman. Den tekniska uppgiften var djärv: exoskeletet från GE skulle tillåta en person att arbeta med laster som väger upp till ett och ett halvt tusen pund (cirka 680 kilo). Om projektet slutfördes framgångsrikt skulle Hardimans exoskelet ha stora framtidsutsikter. Så militären avsåg att använda ny teknik för att underlätta arbetet för vapensmeder i flygvapnet. Dessutom var kärntekniska forskare, byggare och representanter för många andra industrier "i kö". Men även tio år efter programmets start har ingenjörerna i General Electric inte kunnat översätta allt som var tänkt till metall. Flera prototyper byggdes, inklusive en fungerande mekanisk arm. Hardymen enorma klo var hydrauliskt driven och kunde lyfta 750 pund last (cirka 340 kg). På grundval av en fungerande "handske" var det möjligt att skapa en andra. Men designerna stod inför ett annat problem. Exoskelettets mekaniska "ben" ville inte fungera ordentligt. Hardiman -prototypen med en arm och två stödben vägde under 750 kilo, medan den maximala designkapaciteten var mindre än sin egen vikt. På grund av denna vikt och särdragen i centreringen av exoskeletet, när hela lasten lyfte, började hela strukturen ofta att vibrera, vilket ledde till att den välte flera gånger. Med bitter ironi kallade projektets författare detta fenomen”den mekaniska dansen av St. Vitus”. Oavsett hur hårt konstruktörerna för General Electric kämpade, lyckades de inte klara uppriktningen och vibrationerna. I början av 70 -talet stängdes Hardiman -projektet.
Under de följande åren gick arbetet i riktning mot exoskeleton inaktivt. Då och då började olika organisationer hantera dem, men nästan alltid följde inte det önskade resultatet. Samtidigt var syftet med att skapa ett exoskeleton inte alltid dess militära användning. På 70 -talet utvecklade anställda vid Massachusetts Institute of Technology, utan större framgång, utrustning av denna klass, avsedd för rehabilitering av funktionshindrade med skador i muskuloskeletala systemet. Tyvärr, på den tiden, kom ingenjörerna också i vägen för att synkronisera de olika delarna av dräkten. Det bör noteras att exoskelett har ett antal karakteristiska egenskaper som inte gör deras skapande lite enklare. En signifikant förbättring av den mänskliga operatörens fysiska kapacitet kräver således en lämplig energikälla. Den senare ökar i sin tur dimensioner och egenvikt för hela apparaten. Den andra haken ligger i interaktionen mellan personen och exoskeleton. Principen för användning av sådan utrustning är följande: en person gör varje rörelse med armen eller benet. Speciella sensorer som är associerade med hans lemmar tar emot denna signal och överför lämplig kommando till manöverelementen - hydrauliska eller elektriska mekanismer. Samtidigt med att kommandon utfärdas säkerställer dessa samma sensorer att rörelserna i manipulatorerna motsvarar operatörens rörelser. Förutom att synkronisera rörelsernas amplituder står ingenjörer inför frågan om timing. Poängen är att alla mekaniker har en viss reaktionstid. Därför bör det minimeras för att det ska vara tillräckligt bekvämt att använda exoskeleton. När det gäller små, kompakta exoskeleton, som nu betonas, har synkronisering av mänskliga och maskinella rörelser en särskild prioritet. Eftersom det kompakta exoskeletet inte tillåter en ökning av stödytan etc. kan mekaniker som inte hinner röra sig med personen påverka användningen negativt. Till exempel kan en tidig rörelse av ett mekaniskt "ben" leda till att en person helt enkelt tappar balansen och faller. Och detta är långt ifrån alla problem. Uppenbarligen har det mänskliga benet färre grader av frihet än handen, för att inte tala om handen och fingrarna.
Den senaste historien om militära exoskeletoner började år 2000. Därefter inledde den amerikanska byrån DARPA starten av EHPA -programmet (Exoskeletons for Human Performance Augmentation - Exoskeletons for increase human performance). EHPA -programmet var en del av ett större Land Warrior -projekt för att skapa utseendet på framtidens soldat. Men 2007 avbröts Land Warrior, men dess exoskelettdel fortsatte. Syftet med EHPA-projektet var att skapa den s.k. ett komplett exoskelet, som inkluderade förstärkare för mänskliga armar och ben. Samtidigt krävdes inga vapen eller reservationer. De tjänstemän som ansvarar för DARPA och Pentagon var väl medvetna om att det aktuella läget på området för exoskeletoner helt enkelt inte tillåter att utrusta dem med ytterligare funktioner. Därför innebär uppdraget för EHPA-programmet endast möjligheten att en soldat långsiktigt bär i ett exoskelet av en last som väger cirka 100 kg och en ökning av dess rörelsehastighet.
Sacros och University of Berkeley (USA), liksom de japanska Cyberdyne Systems, uttryckte sin önskan att delta i utvecklingen av ny teknik. Tolv år har gått sedan programmets start, och under denna tid har deltagarnas sammansättning genomgått vissa förändringar. Sacros har nu blivit en del av Raytheon -koncernen, och en institution vid universitetet som heter Berkeley Bionics har blivit en division av Lockheed Martin. På ett eller annat sätt finns det nu tre prototyp exoskeletoner som skapats under EHPA -programmet: Lockheed Martin HULC, Cyberdyne HAL och Raytheon XOS.
Det första av de listade exoskeletonerna - HULC - uppfyller inte helt DARPA -kraven. Faktum är att konstruktionen på 25 kilo endast innehåller ett ryggstödssystem och mekaniska”ben”. Handstöd implementeras inte i HULC. Samtidigt ökar HULC -operatörens fysiska kapacitet på grund av det faktum att genom ryggstödssystemet överförs det mesta av belastningen på armarna till exoskeletets kraftelement och slutligen "går" ner i marken. Tack vare det tillämpade systemet kan en soldat bära upp till 90 kilo last och samtidigt uppleva en last som uppfyller alla arméstandarder. HULC drivs av ett litiumjonbatteri som håller upp till åtta timmar. I ekonomiskt läge kan en person i ett exoskelet gå med en hastighet av 4-5 kilometer i timmen. Den högsta möjliga hastigheten för HULC är 17-18 km / h, men detta driftssätt för systemet reducerar drifttiden avsevärt från en batteriladdning. I framtiden lovar Lockheed Martin att utrusta HULC med bränsleceller, vars kapacitet kommer att räcka för en driftdag. Dessutom lovar konstruktörerna i efterföljande versioner att "robotisera" händer, vilket avsevärt kommer att öka exoskeletonanvändarens kapacitet.
Raytheon har hittills presenterat två något liknande exoskeleton med index XOS-1 och XOS-2. De skiljer sig åt i vikt- och storleksparametrar och som ett resultat av ett antal praktiska egenskaper. Till skillnad från HULC är XOS -familjen utrustad med ett handavlastningssystem. Båda dessa exoskelett kan lyfta cirka 80-90 kilo av sin egen vikt. Det är anmärkningsvärt att designen av båda XOS låter dig installera olika manipulatorer på mekaniska armar. Det bör noteras att XOS-1 och XOS-2 har betydande strömförbrukning hittills. På grund av detta är de ännu inte autonoma och kräver extern strömförsörjning. Följaktligen är den maximala körhastigheten och batteritiden inte aktuell. Men enligt Raytheon kommer behovet av kabelkraft inte att vara ett hinder för användningen av XOS i lager eller militärbaser där det finns en lämplig elkälla.
Det tredje urvalet av EHPA -programmet är Cyberdyne HAL. Idag är HAL-5-versionen relevant. Detta exoskelet är till viss del en blandning av de två första. Precis som HULC kan den användas oberoende - batterierna håller i 2,5-3 timmar. Med XOS -familjen förenas Cyberdyne Systems utveckling med designens "fullständighet": den innehåller stödsystem för både armar och ben. Bärförmågan hos HAL-5 överstiger dock inte ett par tiotals kilo. Situationen är liknande med hastighetskvaliteterna i denna utveckling. Faktum är att japanska designers inte har fokuserat på militärt bruk, utan på rehabilitering av funktionshindrade. Uppenbarligen behöver sådana användare helt enkelt inte hög hastighet eller lastkapacitet. Följaktligen, om militären är intresserad av HAL-5 i dess nuvarande tillstånd, kommer det att vara möjligt att göra ett nytt exoskeleton på grundval, vässat för militärt bruk.
Av alla alternativ för lovande exoskeleton som lämnades in till EHPA -tävlingen har bara HULC hittills nått test i samarbete med militären. Ett antal funktioner i andra projekt tillåter fortfarande inte att starta sina fältförsök. I september kommer flera HULC -kit att skickas i delar för att studera egenskaperna hos exoskeletet under verkliga förhållanden. Om allt går smidigt kommer storskalig produktion att börja 2014-15.
Under tiden kommer forskare och designers att få bättre koncept och design. Den mest efterlängtade innovationen inom exoskeletoner är robothandskar. De befintliga manipulatorerna är ännu inte särskilt praktiska för att använda verktyg och liknande föremål avsedda för manuell användning. Dessutom är skapandet av sådana handskar förknippat med ett antal svårigheter. I allmänhet liknar de de för andra exoskeleton -enheter, men i detta fall förvärras synkroniseringsproblem av ett stort antal mekaniska element, funktioner i människans handrörelse etc. Nästa steg i utvecklingen av exoskeleton blir skapandet av ett neuroelektroniskt gränssnitt. Nu styrs mekanikens rörelse av sensorer och servodrivningar. Mer praktiskt för ingenjörer och forskare är användningen av ett styrsystem med elektroder som tar bort mänskliga nervimpulser. Bland annat kommer ett sådant system att minska mekanisternas reaktionstid och som ett resultat öka effektiviteten för hela exoskeletet.
När det gäller praktisk tillämpning har synpunkter på det under det senaste halvseklet knappast förändrats. Militären anses fortfarande vara de viktigaste användarna av lovande system. De kan använda exoskelett för lastning och lossning, förberedelse av ammunition, och dessutom i stridssituationer för att förbättra förmågan hos krigare. Det bör noteras att exoskeletons bärförmåga kommer att vara användbar inte bara för militären. Den utbredda användningen av teknik som gör det möjligt för en person att avsevärt öka sin fysiska förmåga kan förändra all logistik och godstransport. Till exempel minskar tiden för lastning av en lastvagn i avsaknad av truckar med tiotals procent, vilket kommer att öka effektiviteten i hela transportsystemet. Slutligen kommer nervkontrollerade exoskeleton att hjälpa funktionshindrade att stödja människor att leva ett helt liv igen. Dessutom finns det stora förhoppningar på det neuroelektroniska gränssnittet: vid ryggskador etc. Vid skador kan det hända att signaler från hjärnan inte når ett specifikt område av kroppen. Om vi "avlyssnar" dem till det skadade området i nerven och skickar dem till kontrollsystemet för exoskelet, kommer personen inte längre att vara begränsad till en rullstol eller säng. Således kan den militära utvecklingen återigen förbättra livet för inte bara militären. Just nu, när du gör stora planer, bör du komma ihåg om försöksdriften av Lockheed Martin HULC exoskeleton, som bara börjar under hösten. Baserat på dess resultat kommer det att vara möjligt att bedöma både utsikterna för hela branschen och intresset för den från potentiella användare.
