Разорвать воздух на скорости звука и устремиться к горизонту, вытянув руки по швам в своём железном костюме. В мгновение ока оказаться в любой точке земного шара без необходимости стоять в пробке. Летать без крыльев, не будучи на борту самолёта или чего покрепче. Пусть бросит в меня камень тот, кто не хотел оказаться на месте Тони Старка в его звёздные моменты (конечно, в костюме Железного человека). Частично эти мечты сумеет реализовать экзоскелет — устройство, который может увеличить способности человека (по большей части физические, мускульную силу) за счет внешнего каркаса. О том, что собой представляет это устройство, какие наработки уже имеются и как технологии будут развиваться в будущем, мы расскажем в этом материале. Наука и технологии — это без преувеличений самая лютая гонка изобретательности человека и природы. Всю свою историю человек пытается переделать мир вокруг себя под свои нужды.
Где-то это ему удаётся, часто не без вреда для природы. Где-то приходится подглядывать у неё. И если у большинства беспозвоночных в том или ином виде есть внешний скелет, у человека его нет. Но ведь и крыльев не было?
В наше время под экзоскелетом подразумевается механический костюм или его часть до 2–2,5 метра высотой. Дальше идут «мобильные костюмы», меха и другие гигантские человекоподобные роботы.
Как и многое другое в нашей жизни, экзоскелеты постепенно перешагивают границу, разделяющую смелые мечты и повседневную жизнь. Будучи изначально просто идеями, концептами, мифами и легендами научной фантастики, сегодня чуть ли не каждую неделю появляются новые варианты экзоскелетов.
Первым изобретателем экзоскелета считается русский «инженеръ-механикъ» Николай Фердинандович Ягн, который ещё в 1890-х годах зарегистрировал ряд патентов на эту тему. Он жил в Америке, где, собственно, и патентовал свои чудеса, показывал их на выставках, а по возвращении на родную землю снова изобретал. Его экзоскелет должен был облегчить ходьбу, бег и прыжки в первую очередь, солдат. Уже тогда русский гений предвидел потенциальную военную мощь подобных устройств.
Не будем отрицать, гигантский и необъятный вклад в развитие экзоскелетов внесли фантасты. В 1959 году после нашумевшего романа Роберта Хайнлайна «Звёздный десант» всем стало понятно, что за внешними каркасными костюмами — будущее военных действий и не только. И понеслось.
Первый экзоскелет был создан компанией General Electric при поддержке Министерства обороны США в 1960-х годах. Hardiman весил 680 килограммов и мог поднимать грузы весом до 110 килограммов. При всех гигантских амбициях — а его хотели использовать и под водой, и в космосе, и боеголовки таскать, и ядерные стержни — показал он себя не лучшим образом. О нём благополучно забыли.
Девять лет спустя Миомир Вукобратович из югославского Белграда показал первый силовой шагающий экзоскелет, задача которого была давать людям с параличом нижних конечностей возможность шагать. В основе устройства лежал пневмопривод. Советские учёные из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова проявили первые инициативы по разработке экзоскелетов совместно с югославскими коллегами на основе работ именно Вукобратовича. Но с началом перестройки проекты были закрыты, а о секретных подпольных разработках экзоскелетов данных нет. Зато с освоением космоса всё было хорошо.
В разное время в разных странах умельцы пытались сделать экзоскелеты самого разного назначения, но в силу самых разных препятствий (о которых мы ещё поговорим) удавалось это в край плохо. Нехватка энергоносителей, медленный рост научно-технического прогресса, развития материаловедения и прочих смежных наук, а также развитие компьютерных вычислений и кибернетики, волна которых поднялась только лет 30 назад, — всё это тормозило развитие экзоскелетов. Без всяких сомнений, это сложнейшие технологии, которые людям ещё предстоит освоить.
Проблемы экзоскелетов
На этой планете не так много материалов, из которых можно сделать жёсткий каркас и которые не усугубят дело своим весом. Во всяком случае, их было не много, но с учётом космических полётов, военных наработок, развития материаловедения, нанотехнологий и ещё десятка-другого интересных сфер человечество постепенно берёт один барьер за другим. В начале XXI века интерес к экзоскелетам разгорелся с недюжинной силой и продолжает гореть до сих пор. Но сначала поговорим об основных проблемах, с которыми сталкиваются создатели экзоскелетов.
Если разложить гипотетический экзоскелет на составляющие, у нас будут: источник питания, механический скелет и программное обеспечение. И если с двумя последними пунктами вроде бы всё ясно и проблем почти не осталось, то источник питания — это серьёзная проблема. Имея нормальный источник питания, инженеры могли бы не просто создать экзоскелет, а ещё и объединить его со скафандром и реактивным ранцем. Получился бы костюм Железного человека, наверное, но новый Тони Старк пока не явился.
Питание
Любой из компактных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше — зависимость от провода. У неперезаряжаемых и аккумуляторных батарей есть свои ограничения вроде необходимости замены или медленной зарядки, соответственно. Двигатели внутреннего сгорания должен быть слишком надёжным, но не особо компактным. К тому же, в последнем случае понадобится дополнительная система охлаждения, а сам двигатель внутреннего сгорания сложно настроить на моментальный выброс большого количества энергии. Электрохимические топливные элементы могут быстро заправляться жидким топливом (например, метанолом) и давать нужный и моментальный выброс энергии, но работают при крайне высоких температурах. 600 градусов по Цельсию — относительно низкая температура для такого источника питания. С ним «железный человек» превратится в хот-дог.
Как ни странно, наиболее возможным вариантом решения топливного вопроса для экзоскелетов будущего может стать самый невозможный: беспроводная передача энергии. Она могла бы решить массу вопросов, ведь её можно передавать из сколь угодно большого реактора (и ядерного в том числе). Но как? Вопрос открыт.
Каркас
Первые экзоскелеты делались из алюминия и стали, недорогих и простых в использовании. Но сталь слишком тяжёлая, а экзоскелет обязательно должен работать и над тем, чтобы поднять свой собственный вес. Соответственно, при большом весе костюма его эффективность упадёт. Алюминиевые сплавы достаточно лёгкие, но накапливают усталость, а значит, не особо подходят для высоких нагрузок. Инженеры находятся в поисках лёгких и прочных материалов вроде титана или углеродного волокна. Они неизбежно будут дорогими, но обеспечат эффективность экзоскелета.
Особую проблему представляют приводы. Стандартные гидравлические цилиндры достаточно мощные и могут работать с высокой точностью, но тяжёлые и требуют наличия кучи шлангов и трубок. Пневматика, напротив, слишком непредсказуема в плане обработки движений, поскольку сжатый газ пружинит, а реактивные силы будут толкать приводы.
Впрочем, разрабатываются новые сервоприводы на электронной основе, которые будут использовать магниты и обеспечивать отзывчивые движения, потребляя минимум энергии и будучи небольшими. Можете сравнить это с переходом от паровозов к поездам. Отметим ещё гибкость, которая должна быть у суставов, но здесь проблемы экзоскелетов могут решить разработчики скафандров. Они же помогут разобраться с адаптацией костюма к размерам носителя.
Управление
Особую проблему при создании экзоскелета представляет управление и регулировка чрезмерных и нежелательных движений. Нельзя просто так взять и сделать экзоскелет с одной скоростью реакции каждого из членов. Такой механизм может быть слишком быстрым для пользователя, а слишком медленным его не сделаешь — неэффективно. С другой стороны, нельзя положиться на пользователя и доверить датчикам считывать намерения по движениям тела: рассинхронизация движений пользователя и костюма приведёт к увечьям. Нужно ограничивать обе действующих стороны. Над решением этого вопроса и ломают головы инженеры. Кроме того, нужно заранее обнаружить непреднамеренное или нежелательное движение, чтобы случайный чих или кашель не привёл к вызову скорой.
Экзоскелеты и будущее
В 2010 году компании Sarcos и Raytheon совместно с Министерством обороны США показала боевой экзоскелет XOS 2. Первый прототип вышел за два года до этого, но не вызвал переполоха. А вот XOS 2 оказался настолько крутым, что журнал Time включил экзоскелеты в список пяти лучших военных инноваций года. С тех пор ведущие инженеры мира ломают головы над созданием экзоскелетов, которые смогут обеспечить преимущество на поле боя. И за пределами него тоже.
Что мы имеем на сегодняшний день?
Любители фантастики когда-то мечтали, что вот «когда-нибудь» экзоскелеты станут обыденностью. И как-то так получается, что эта технология тихой сапой переползла из разряда фантастической концепции сначала в ранг лабораторных экспериментов, а потом и в категорию серийной обыденности. Чисто механические экзоскелеты уже студенты клепают. Прямо как у Гоблина: «История стала легендой, легенда — фарсом. А потом уже и анекдотов насочиняли». Мы решили собрать подборочку видео с экзоскелетами, которые служат не для развлечения почтенной публики, а для причинения пользы обществу и отдельно взятым индивидуумам.
Недавно корпорация Ford внедрила на производствах пассивные торсовые экзоскелеты EksoVest. Они снимают часть нагрузки со спины, шеи и рук, и предназначены для рабочих, выполняющих много операций с поднятыми вверх руками:
Разработка корпорации Matsushita Electric — Panasonic AWN-03 — создана для уменьшения нагрузки на спину и ноги при поднятии и переноске тяжестей. Компенсация нагрузки на спину достигает 15 кг, батареи съёмные, не нужно ставить экзоскелет на зарядку и ждать.
Причём это далеко не единственный экзоскелет Panasonic, были ещё, к примеру, PLN-31 Ninja, PLL-04 (позволяет бегать со скоростью 12 км/ч) и MS-02.
В Lockheed Martin создан ещё один интересный промышленный экзоскелет — Fortis. Его особенность в том, что он позволяет не только снять часть нагрузки (до 14 кг), но и оснащён креплением для электрических или пневматических инструментов.
Экзоскелет ReWalk — это новые ноги для тех, кто оказался прикован к инвалидной коляске из-за травмы или болезни. Конечно, одно лишь устройство не заменит полноценные нижние конечности, но хотя бы позволяет самостоятельно передвигаться без опостылевших колёс.
При более серьёзных повреждениях или обширных параличах, когда ReWalk бесполезен, можно воспользоваться экзоскелетом новозеландской компании REX.
Благому делу служит и экзоскелет Hybrid Assistive Limb, созданный для реабилитации людей с проблемами опорно-двигательного аппарата. Уже несколько лет применяется в некоторых клиниках Японии и Германии.
Работа над экзоскелетами для солдат идёт не первый год. Многие армии мира уже близки к принятию на вооружение больших партий компактных экзоскелетов, уменьшающих нагрузку на ноги и спину: солдаты смогут носить больше боеприпасов и амуниции, дольше ходить и меньше уставать. К примеру, ещё в начале 2010-х компании Ekso Bionics и Raytheon создали экзоскелеты HULC (лицензирован Lockheed Martin) и XOS 2 соответственно. Разработки активно лоббировались в армейских структурах, но до сих не приняты на вооружение. HULC позволяет переносить до 90 кг веса и долго бегать со скоростью 12 км/ч. А XOS 2, по сути, миниатюрный погрузчик с внешним питанием.
В нашем будущем комплекте экипировки «Ратник 3» тоже должен быть экзоскелет, но внятного видео с ним найти не удалось.
Можете послушать, что рассказывает главный конструктор ЦНИИТочМаш о концепте следующего поколения экипировки, уже после «Ратника 3»:
Как обычно, самые надёжные образцы экзоскелетов наверняка будут внедряться сначала у военных. Ждать осталось не так долго, третий «Ратник» планируют принять на вооружение в 2020-30-х. И напоследок минутка трэша: индийский умелец сварганил экзоскелет для борьбы с террористами.
