Повільна, але вперта хода екзоскелетів - Військовий огляд
Через півстоліття після початку робіт у галузі екзоскелетів перші зразки цієї апаратури готові вирушити на повноцінну роботу. Компанія Lockheed Martin нещодавно похвалилася тим, що її проект HULC (Human Universal Load Carrier – Універсальна навантажувальна система для людини) вже не тільки пройшов проведені спільно з Пентагоном польові випробування, але й уже готовий до серійного виробництва. Екзоскелету HULC зараз «дихають у спину» одразу кілька аналогічних проектів інших фірм. Але така велика кількість конструкцій була не завжди.
У наступні роки роботи у напрямку екзоскелетів йшли неактивно. Ними час від часу починали займатися різні організації, але майже завжди належного результату не було. При цьому не завжди метою створення екзоскелету було його військове застосування. У 70-х роках співробітники Массачусетського технологічного університету без особливих успіхів розробляли апаратуру такого класу, призначену для реабілітації інвалідів з пошкодженнями опорно-рухового апарату. На жаль, тоді на заваді інженерів теж виявилися проблеми синхронізації різних вузлів костюма. Слід зазначити, що екзоскелети мають цілу низку характерних особливостей, які ні краплі не полегшують їх створення. Так, значне покращення фізичних можливостей людини-оператора потребує відповідного джерела енергії. Останній, у свою чергу, збільшує габарити та власну вагу всього апарату. Друга загвоздка криється у взаємодії людини та екзоскелета. Принцип роботи такої апаратури виглядає так: людина здійснює якийсь рух рукою чи ногою. Спеціальні датчики, пов'язані з його кінцівками, приймають цей сигнал та передаютьвідповідну команду на виконавчі елементи - гідро-або електричні механізми. Одночасно з подачею команд ці датчики стежать за тим, щоб рух маніпуляторів відповідав рухам оператора. Крім синхронізації амплітуд рухів перед інженерами стоїть питання тимчасової відповідності. Справа в тому, що будь-яка механіка має певний час реакції. Тому його потрібно мінімізувати з метою достатньої зручності користування екзоскелетом. У випадку з невеликими компактними екзоскелетами, на які зараз робиться акцент, синхронізація рухів людини та машини має особливий пріоритет. Оскільки компактний екзоскелет не дозволяє збільшити опорну поверхню тощо, механіка, яка не встигає рухатися разом із людиною, може несприятливо позначитися на використанні. Наприклад, невчасний рух механічної «ноги» може призвести до того, що людина просто втратить рівновагу і впаде. І це ще не всі проблеми. Очевидно, що нога людини має менше ступенів свободи, ніж рука, не кажучи вже про кисті та пальці.
Новітня історія екзоскелетів військового призначення почалася 2000 року. Тоді американське агентство DARPA ініціювало початок програми EHPA (Exoskeletons for Human Performance Augmentation – Екзоскелети для збільшення продуктивності людини). Програма EHPA була частиною масштабнішого проекту Land Warrior, що передбачав створення образу солдата майбутнього. Однак у 2007 році «Ленд уорріор» було скасовано, але його екзоскелетну частину було продовжено. Метою проекту EHPA було створення т.зв. повного екзоскелета, що мав у своєму складі підсилювачі для рук та ніг людини. При цьому будь-яке озброєння чи бронювання не потрібно. Відповідальні особи DARPA та Пентагону чудово розуміли, що нинішнєстан справ у галузі екзоскелетів просто не дозволяє оснащувати їх додатковими функціями. Тому технічне завдання за програмою EHPA передбачає лише можливість тривалого перенесення солдатом в екзоскелеті вантажу масою близько 100 кілограмів та підвищення його швидкості пересування.
Своє бажання брати участь у розробці нової техніки висловили компанія Sacros та університет Берклі (США), а також японська Cyberdyne Systems. З моменту початку програми минуло дванадцять років і за цей час склад учасників зазнав деяких змін. На цей час Sacros увійшла до складу концерну Raytheon, а відділ університету під назвою Berkeley Bionics став підрозділом Lockheed Martin. Так чи інакше, зараз існує три прототипи екзоскелетів, створених за програмою EHPA: Lockheed Martin HULC, Cyberdyne HAL та Raytheon XOS.
Перший із перелічених екзоскелетів – HULC – не повною мірою відповідає вимогам DARPA. Справа в тому, що 25-кілограмова конструкція має у своєму складі лише систему підтримки спини та механічні «ноги». Підтримка рук у HULC не реалізована. У той же час, фізичні можливості оператора HULC підвищуються за рахунок того, що через систему підтримки спини більша частина навантаження на руки передається на силові елементи екзоскелету і в результаті йде в землю. Завдяки застосованій системі солдат може нести на собі до 90 кілограм вантажу і при цьому відчувати навантаження, яке відповідає всім армійським нормативам. HULC оснащується літій-іонним акумулятором, ємності якого вистачає працювати протягом восьми годин. В економному режимі людина в екзоскелеті може ходити зі швидкістю 4-5 кілометрів на годину. Максимально можлива швидкість HULC становить 17-18 км/год, проте такий режим роботи системи значно скорочує час.функціонування від одного заряджання акумуляторів. У майбутньому «Локхід Мартін» обіцяють оснастити HULC паливними елементами, ємності яких вистачатиме на добу роботи. Крім того, у наступних версіях конструктори обіцяють «роботизувати» руки, що значно підвищить можливості користувача екзоскелету.
Компанія Raytheon на даний момент представила два певною мірою схожі екзоскелети з індексами XOS-1 і XOS-2. Вони відрізняються масогабаритними параметрами і, як наслідок, поряд практичних характеристик. На відміну від HULC, сімейство XOS оснащене системою розвантаження рук. Обидва ці екзоскелети можуть піднімати вагу, порівнянну з їхньою власною масою близько 80-90 кілограм. Цікаво, що конструкція обох XOS дозволяє встановлювати на механічні руки різні маніпулятори. Слід зазначити, що XOS-1 та XOS-2 поки що мають значне енергоспоживання. Через це вони поки не є автономними та потребують зовнішнього живлення. Відповідно, про максимальну швидкість переміщення та часу роботи від батарей не йдеться. Натомість, як вважають у Raytheon, необхідність у харчуванні кабелем не стане перешкодою для використання XOSів на складах або військових базах, де є відповідне джерело електроенергії.
Третій зразок програми EHPA – Cyberdyne HAL. На сьогоднішній день актуальною є версія HAL-5. Цей екзоскелет певною мірою є сумішшю перших двох. Як і HULC, він має можливість автономного використання – акумуляторів вистачає на 2,5-3 години. З сімейством XOS розробку Cyberdyne Systems поєднує "повнота" конструкції: у її складі є системи підтримки і рук, і ніг. Однак вантажопідйомність HAL-5 не перевищує кількох десятків кілограм. Подібним чином і зі швидкісними якостями цієїрозробки. Справа в тому, що японські конструктори наголосили не на військовому використанні, але на реабілітації інвалідів. Очевидно, що таким користувачам висока швидкість або вантажопідйомність просто не потрібна. Відповідно, якщо HAL-5 у нинішньому стані зацікавить військових, можна буде зробити на його основі новий екзоскелет, заточений під військове застосування.
А тим часом у вчених та конструкторів з'являться більш досконалі концепції та конструкції. Найбільш очікуваним нововведенням в області екзоскелетів є роботизовані рукавички. Наявні маніпулятори поки що не надто зручні для використання інструментів тощо об'єктів, призначених для ручного застосування. У цьому створення таких рукавичок пов'язані з низкою труднощів. В цілому, вони аналогічні тим, які є і в інших агрегатів екзоскелету, але в даному випадку проблеми синхронізації погіршуються великою кількістю механічних елементів, особливостями руху кисті людини і т.д. Наступним етапом у розвитку екзоскелетів буде створення нейроелектронного інтерфейсу. Зараз управління рухами механіки здійснюється за допомогою датчиків та приводів, що стежать. Більш зручним інженерам і вченим бачиться застосування системи управління з електродами, які знімають нервові імпульси людини. Серед іншого така система дозволить знизити час реакції механізмів і, як наслідок, підвищити ефективність роботи всього екзоскелету.
Що стосується практичного застосування, то за останні півстоліття погляди на нього майже не змінилися. Як і раніше, основними користувачами перспективних систем вважаються військові. Вони можуть використовувати екзоскелети для вантажно-розвантажувальних робіт, підготовки боєприпасів, а також у бойовій обстановці, для підвищення можливостей бійців. ТребаЗауважимо, вантажопідйомність екзоскелетів буде корисна не лише військовим. Широке поширення техніки, що дозволяє людині значно збільшувати свої фізичні можливості, здатне змінити вигляд всієї логістики та вантажоперевезень. Наприклад, час завантаження вантажного напівпричепа за відсутності автонавантажувачів зменшиться на десятки відсотків, що підвищить ефективність всієї системи перевезень. Нарешті, екзоскелети з керуванням за допомогою нервових імпульсів допоможуть інвалідам-опорникам знову зажити повним життям. Причому великі надії покладаються саме на нейроелектронний інтерфейс: ушкодження хребта тощо. травми сигнали від мозку можуть не доходити до певної ділянки тіла. Якщо ж «перехоплювати» їх до пошкодженої ділянки нерва та посилати на систему управління екзоскелетом, то людина перестане бути прикутою до інвалідного крісла чи ліжка. Таким чином, військові розробки вкотре можуть покращити життя не лише військовим. Тільки поки, будуючи великі плани, слід пам'ятати про дослідну експлуатацію екзоскелета Lockheed Martin HULC, яка розпочнеться лише восени. За її результатами можна буде судити і про перспективи всієї галузі, і інтерес до неї з боку потенційних користувачів.