domov Tople jedi Superman. Sedanjost in prihodnost eksoskeletov. Eksoskeleti - oprema bodočega bojnega eksoskeleta Lockheed Martin HULC

Superman. Sedanjost in prihodnost eksoskeletov. Eksoskeleti - oprema bodočega bojnega eksoskeleta Lockheed Martin HULC

Druga skrb, zlasti pri eksoskeletih zgornjega dela telesa, je njihova teža, saj so izdelani iz močnih materialov, ki lahko prenesejo velike uteži in podpirajo telo. Sodobne obleke tudi ne prenašajo dobro temperaturnih sprememb ali dežja, zaradi česar jih je težko uporabljati resnični svet. In z njimi videz ljudje se še vedno ne morejo navaditi.

Da bodo eksoskeleti bolj praktični in prijetni na pogled, bomo potrebovali inovacijo: iz njih bomo morali narediti »drugo kožo« in ne velikansko robotsko obleko. Običajno eksoskeleti uporabljajo težke elektromotorje, vendar se lahki aktuatorji lahko uporabljajo tudi kot pnevmatske mišice. Lahko izvajajo podobne sile kot elektromotorji, le da bodo tehtali nekajkrat manj. Te mišice so sestavljene iz gumijaste komore, obdane s tkanim tulcem. Pod pritiskom povečajo premer in skrajšajo dolžino ter potisnejo sklep. In čeprav so narejeni iz lahkih materialov, lahko izvajajo silo, ki zadostuje za dvig več sto kilogramov.

Mehka robotika

Vendar morajo biti tudi ti lahki aktuatorji pritrjeni na togo mehansko strukturo na telesu uporabnika. Znanstveniki v Centru za avtonomne sisteme in robotiko Univerze Salford razvijajo še eno alternativo: mehko robotiko. Ta tehnologija uporablja fizično mehke napredne materiale za izvajanje istih nalog, ki jih opravljajo tradicionalne trde robotske naprave. Še posebej so primerni za interakcijo z ljudmi, saj mehki pogosto pomenijo lahke in bo manj možnosti za poškodbe, če trčite v osebo.

Nedavno so razvili nov "soft continuum actuator", ki se upogne kot slonov rilec. Za razliko od tradicionalnega togega robotskega sklepa, ko naleti na upor v enem delu telesa, se upogne v vse smeri po celotni dolžini. Z nošenjem obleke iz tesno prilegajočega se materiala s takšnimi pogoni bi lahko dobili mehak eksoskelet, ki se upogne natančno v sklepih uporabnika. Zato bo obleka ustrezala različnim uporabnikom brez potrebe po mehanskem prilagajanju ali kalibraciji. Poleg tega je sistem lahek in ga lahko nosite kot oblačilo namesto zajetnega mehanskega okvirja.

Eksoskeleti se začenjajo komercialno prodajati in v prihodnjih letih bomo verjetno videli veliko novih stvari. Leta 2012 je paralizirana ženska Claire Lomas celo zaključila londonski maraton z eksoskeletom. Toda še vedno obstaja veliko inženirskih problemov, ki jih bo treba rešiti, preden bomo videli široka uporaba takšni sistemi. Vsaj potrebujemo način za napajanje teh oblek, ne da bi jih morali priklapljati vsake pol ure.

Raztrgajte zrak s hitrostjo zvoka in hitite proti obzorju, z rokami iztegnjenimi ob telesu v železna obleka. Bodite kjer koli, kot bi mignil globus ne da bi morali sedeti v prometnih zastojih. Leteti brez kril, ne da bi bil na krovu letala ali česa močnejšega. Naj vrže kamen vame tisti, ki v njegovih zvezdnih trenutkih ni želel biti na mestu Tonyja Starka (seveda v obleki " Železni mož"). Delno bo te sanje lahko uresničil eksoskelet - naprava, ki lahko zaradi zunanjega okvirja poveča človekove sposobnosti (predvsem fizično, mišično moč). V tem gradivu vam bomo povedali, kaj je ta naprava, kakšen razvoj že obstaja in kako se bodo tehnologije razvijale v prihodnosti.

Od elastičnega do "železnega človeka"

Znanost in tehnologija sta brez pretiravanja najhujša tekma iznajdljivosti med človekom in naravo. Skozi celotno zgodovino si je človek prizadeval preurediti svet okoli sebe, da bi ustrezal njegovim potrebam. Nekje mu to uspe, pogosto ne brez škode za naravo. Nekje jo moraš pogledati. In medtem ko ima večina nevretenčarjev zunanje okostje v takšni ali drugačni obliki, ga ljudje nimajo. Ampak ni bilo kril? Danes eksoskelet pomeni mehansko obleko ali njen del do višine 2–2,5 metra. Sledijo "mobilne obleke", mehi in drugi velikanski humanoidni roboti. Kot marsikaj drugega v našem življenju tudi eksoskeleti postopoma prestopajo mejo med divjimi sanjami in vsakodnevno zivljenje. Prvotno le ideje, koncepti, miti in legende znanstvene fantastike, danes pa se nove različice eksoskeletov pojavljajo skoraj vsak teden. Za prvega izumitelja eksoskeleta velja ruski »strojni inženir« Nikolaj Ferdinandovich Yagn, ki je že v 1890-ih registriral številne patente na to temo. Živel je v Ameriki, kjer je svoje čudeže pravzaprav tudi patentiral, jih kazal na razstavah, po vrnitvi v domovina na novo odkriti. Njegov eksoskelet naj bi vojaku v prvi vrsti olajšal hojo, tek in skakanje. Že takrat je ruski genij predvidel potencialno vojaško moč tovrstnih naprav.

NIKOLAJ Ferdinandovič YAGN Poleg eksoskeleta je Yagn razvil hladilne zavese, hidravlični motor, nihajni propeler, samovar-sterilizator in druge naprave.

Hardiman

Ne zanikajmo, da so pisci znanstvene fantastike dali ogromen in neizmeren prispevek k razvoju eksoskeletov. Leta 1959 je po hvaljenem romanu Roberta Heinleina "Starship Troopers" vsem postalo jasno, da so obleke z zunanjim okvirjem prihodnost vojaških operacij in še več. In gremo. Prvi eksoskelet je ustvaril General Electric ob podpori Ministrstva za obrambo ZDA v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Hardiman je tehtal 680 kilogramov in je lahko dvignil bremena do 110 kilogramov. Z vsemi velikanskimi ambicijami – želeli so ga uporabljati pod vodo in v vesolju ter nositi bojne glave in jedrske palice – se je izkazalo, da ne na najboljši možni način. Priročno so pozabili nanj.

naprava "pedomotor", ki nejasno spominja na eksorskelete, izumitelj Leslie S. Kelly, razvit leta 1917

Devet let pozneje je Miomir Vukobratović iz Beograda, Jugoslavija, pokazal prvi eksoskelet za hojo, katerega namen je bil dajati ljudem s paralizo. spodnjih udov priložnost za sprehod. Naprava je temeljila na pnevmatskem pogonu. Sovjetski znanstveniki iz Centralnega inštituta za travmatologijo in ortopedijo N. N. Priorova so dali prve pobude za razvoj eksoskeletov skupaj z jugoslovanskimi kolegi na podlagi dela Vukobratovicha. Toda z začetkom perestrojke so bili projekti zaprti in ni nobenih informacij o tajnem podzemnem razvoju eksoskeletov. Z raziskovanjem vesolja pa je bilo vse v redu. IN drugačen čas V različne države obrtniki so poskušali izdelati eksoskelete za najrazličnejše namene, vendar jim je zaradi vrste ovir (o katerih bomo govorili kasneje) izjemno slabo uspevalo. Pomanjkanje energetskih virov, počasna rast znanstvenega in tehnološkega napredka, razvoj znanosti o materialih in drugih sorodnih ved ter razvoj računalništva in kibernetike, katerega val se je dvignil šele pred približno 30 leti, je vse to upočasnjeno. razvoj eksoskeletov. Brez dvoma so to najkompleksnejše tehnologije, ki jih ljudje še niso obvladali.

Težave z eksoskeleti

Na tem planetu ni veliko materialov, iz katerih lahko narediš trden okvir in ki s svojo težo ne bo otežil zadeve. Vsekakor jih ni bilo veliko, a ob upoštevanju vesoljskih poletov, vojaškega razvoja, razvoja znanosti o materialih, nanotehnologije in še kakega ducata drugih zanimivih področij človeštvo postopoma osvaja eno ovir za drugo. Na začetku 21. stoletja je zanimanje za eksoskelete vzplamtelo z izjemno močjo in gori še danes. Najprej pa se pogovorimo o glavnih težavah, s katerimi se srečujejo ustvarjalci eksoskeleta. Če hipotetični eksoskelet razgradimo na njegove komponente, bomo imeli: vir energije, mehanski skelet in programsko opremo. In če se zdi, da je z zadnjima dvema točkama vse jasno in skoraj ni več težav, potem je napajanje resna težava. Inženirji z običajnim virom energije ne morejo samo ustvariti eksoskeleta, ampak ga tudi združiti s vesoljskim skafandrom in jetpackom. Rezultat bi verjetno bila obleka "Iron Man", vendar se novi Tony Stark še ni pojavil.

Napajanje Vsak današnji kompaktni vir energije lahko eksoskeletu zagotovi le nekaj ur delovanja baterije. Naslednja je odvisnost od žice. Za nepolnilne in baterije Obstaja nekaj omejitev, kot je potreba po zamenjavi ali počasnem polnjenju. Motorji notranje zgorevanje mora biti zelo zanesljiv, vendar ne posebno kompakten. Poleg tega bo v slednjem primeru potreben dodaten hladilni sistem, sam motor z notranjim zgorevanjem pa je težko konfigurirati za takojšnje emisije velika količina energija. Elektrokemične gorivne celice je mogoče hitro napolniti z gorivom tekoče gorivo(na primer metanol) in dajejo potrebno in takojšnjo sprostitev energije, vendar delujejo izjemno visoke temperature. 600 stopinj Celzija – relativno nizka temperatura za tak vir energije. Z njim se bo "železni mož" spremenil v hot dog. Nenavadno, največ možna opcija Rešitev vprašanja goriva za eksoskelete prihodnosti je morda najbolj nemogoča: brezžični prenos energije. Lahko bi rešil marsikaj, saj se lahko prenaša iz poljubno velikega reaktorja (tudi jedrskega). Ampak kako? Vprašanje je odprto.

Okvir Prvi eksoskeleti so bili izdelani iz aluminija in jekla, ki so bili poceni in enostavni za uporabo. Toda jeklo je pretežko in eksoskelet mora delati tudi, da dvigne lastno težo. V skladu s tem, če je obleka težka, se bo njena učinkovitost zmanjšala. Aluminijeve zlitine so precej lahke, vendar kopičijo utrujenost, kar pomeni, da niso posebej primerne za visoke obremenitve. Inženirji iščejo lahke, močne materiale, kot so titan ali ogljikova vlakna. Neizogibno bodo dragi, vendar bodo zagotovili učinkovitost eksoskeleta. Poseben problem predstavljajo pogone. Standardni hidravlični cilindri so zmogljivi in lahko delujejo zelo natančno, vendar so težki in zahtevajo tono cevi in cevi. Pnevmatika je po drugi strani preveč nepredvidljiva glede gibanja rokovanja, saj bodo stisnjene plinske vzmeti in reakcijske sile potisnile aktuatorje. Vendar pa se razvijajo novi elektronski servomotorji, ki bodo uporabljali magnete in zagotavljali odzivne gibe, medtem ko bodo porabili minimalno energijo in bodo majhni. To lahko primerjate s prehodom s parnih lokomotiv na vlake. Opozorimo še na prožnost, ki bi jo morali imeti sklepi, a tu lahko težave eksoskeletov rešijo razvijalci vesoljskih oblek. Prav tako vam bodo pomagali ugotoviti, kako prilagoditi obleko velikosti uporabnika.

Nadzor Poseben izziv pri ustvarjanju eksoskeleta je nadzor in regulacija čezmernih in neželenih gibov. Ne morete kar narediti eksoskeleta z enako hitrostjo reakcije za vsakega člana. Takšen mehanizem je lahko prehiter za uporabnika, vendar je prepočasen neučinkovit. Po drugi strani pa se ne morete zanesti na uporabnika in zaupati senzorjem, da bodo prebrali namere iz telesnih gibov: desinhronizacija gibov uporabnika in obleke bo povzročila poškodbe. Treba je omejiti obe delujoči strani. Inženirji si razbijajo glave nad rešitvijo tega vprašanja. Poleg tega je treba vnaprej zaznati nenamerno ali neželeno premikanje, da zaradi nenamernega kihanja ali kašljanja ne bi morali poklicati rešilca.

Eksoskeleti in prihodnost

Leta 2010 sta Sarcos in Raytheon skupaj z ameriškim ministrstvom za obrambo pokazala bojni eksoskelet XOS 2. Prvi prototip je izšel dve leti prej, vendar ni povzročil razburjenja. Toda XOS 2 se je izkazal za tako kul, da Revija Time uvrstilo eksoskelete na seznam petih najboljših vojaških inovacij leta. Od takrat si vodilni svetovni inženirji nabijajo glavo, da bi ustvarili eksoskelete, ki lahko zagotovijo prednost na bojišču. In tudi zunaj njega.

Kaj imamo danes?

ReWalk Ta eksoskelet je bil predstavljen leta 2011 in je bil zasnovan za ljudi s posebnimi potrebami. Izdano januarja 2013 posodobljena različica- ReWalk Rehabilitation, že junija 2014 pa je FDA odobrila uporabo eksoskeleta v javnosti in doma ter mu s tem odprla pot v komercialnem smislu. Sistem tehta približno 23,3 kg in deluje naprej Temelji na sistemu Windows in deluje v treh načinih: hoja, sedenje in stanje. Cena: od 70 do 85 tisoč dolarjev.

XOS Serija teh vojaških eksoskeletov je v aktivnem razvoju (XOS 3 je naslednji). Tehta približno 80 kg in omogoča lastniku, da zlahka dvigne 90 dodatnih kg. Najnovejši modeli oblek so tako prilagodljivi, da omogočajo igro z žogo. Kot ugotavljajo proizvajalci, lahko en XOS nadomesti tri vojake. Morda bo tretja generacija eksoskeleta bližje temu, kar vidimo na platnih znanstvenofantastičnih filmov V zadnjih letih. Žal, za zdaj je vezan na zunanji vir energije.

HULC. Human Universal Load Carrier - ustvarjanje znano podjetje Lockheed Martin v sodelovanju z Berkeley Bionics. Tudi ta eksoskelet je namenjen vojski. Osnova je hidravlika in litij-polimerne baterije. S pravilno obremenitvijo zunanjega ogrodja lahko nanj prenesemo do 140 kg odvečnega tovora. Pričakuje se, da bodo vojaki lahko uporabljali HULC a la "me and my friend truck" 72 ur. Razvoj je v polnem zamahu, zato ni presenetljivo, da bo HULC morda prvi, ki bo prišel v uporabo v ZDA.

ExoHiker, ExoClimber in eLEGS (Ekso). Prototipi so ponovno Berkeley Bionics, zasnovani za opravljanje različnih nalog. Prvi naj bi popotnikom pomagal prenašati do 50 kg tovora, predstavljen je bil februarja 2005 in tehta okoli 10 kg. Glede na majhno sončno ploščo lahko deluje zelo, zelo dolgo. ExoClimber je desetkilogramski dodatek k ExoHikerju, ki uporabniku omogoča skakanje in plezanje po stopnicah. Leta 2010 je razvoj Berkeley Bionics povzročil eLEGS. Ta sistem je popoln hidravlični eksoskelet, ki paraliziranim ljudem omogoča hojo in stanje. Leta 2011 se je eLEGS preimenoval v Ekso. Težak je 20 kg, premika se s največja hitrost pri 3,2 km/h in teče 6 ur.

HAL. Še en senzacionalen eksoskelet japonskega proizvajalca robotov Cyberdyne. Njegov namen je omogočiti hojo invalidom. Obstajata dve glavni različici: HAL-3 in HAL-5. Od predstavitve leta 2011 je HAL v manj kot letu dni prevzelo že več kot 130 zdravstvenih ustanov po vsej državi. Vendar se bodo testiranja nadaljevala vse leto 2014 in morda 2015. Avgusta 2013 je HAL dobil dovoljenje za uporabo kot medicinski robot v Evropi. Najnovejši model obleke tehta približno 10 kg.

Povprečni stroški medicinski eksoskelet- 90 tisoč dolarjev.

Poleg resnih eksoskeletov celotnega telesa postajajo vse bolj priljubljeni omejeni eksoskeleti, namenjeni opravljanju posebnih nalog. Na primer, avgusta letos je bil prikazan nekdanji stol Chairless Chair, ki omogoča sedenje stoje. Daewoo in Lockheed Martin sta neodvisno demonstrirala eksoskelete za ladjedelniške delavce. Te naprave omogočajo delavcem, da brez prevelikega naprezanja držijo breme ali orodje do 30 kg. V Rusiji skupina znanstvenikov, sestavljena na Raziskovalnem inštitutu za mehaniko Moskovske državne univerze, razvija eksoskelet, imenovan "ExoAtlet". Nadaljujejo razvoj Vukobratoviča, ki se je začel v ZSSR, ki smo ga omenili zgoraj. Prvi delujoči pasivni eksoskelet te ekipe je bil razvit za reševalce, gasilce in reševalce.

S težo 12 kg zasnova omogoča poseben napor nosijo do 100 kg tovora. Podjetje namerava razviti model moči ExoAtler-A, ki bo omogočal prenašanje do 200 kg, ter medicinski eksoskelet za rehabilitacijo invalidov. Vsem tem kostumom je skupno to, da so predstavljeni večinoma kot prototipi. To pomeni, da se bodo izboljšali. To pomeni, da jih čakajo preizkusi na terenu. To pomeni, da bodo novi modeli. To pomeni, da so prihodnost. Prezgodaj je reči, da je delujoč in uporaben eksoskelet mogoče kupiti na črnem trgu. Toda začetek je bil narejen in razvoj te smeri samozavestno vstopa v širok mainstream. Še vedno smo daleč od kostuma Tonyja Starka, a kaj nam preprečuje, da bi uživali v spektakularnih filmih?

Ljubitelji spektakularnih spopadov z eksoskeleti bodo vedno imeli kaj gledati: "Aliens" (1986), "Iron Man" (2008), "Avatar" (2009), "District No. 9" (2009), "The Avengers" ( 2012), "Elysium" (2013), "Edge of Tomorrow" (2014). Nekaj je gotovo: eksoskeleti bodo v prihodnosti povsod. Našim astronavtom bodo pomagali raziskovati Mars, zgraditi prve kolonije in udobno krmariti po vesolju. Uporabljali jih bodo v vojaškem segmentu, saj vojakom privzeto dajejo nadčloveško moč. Tistim, ki so jo izgubili, bodo omogočili popolno gibanje. Obleka Iron Man bo nekega dne postala resnična, tako kot vse, kar vidite okoli sebe.

Raztrgajte zrak s hitrostjo zvoka in hitite proti obzorju, z iztegnjenimi rokami v železni obleki. Kot bi mignil, se znajdite kjerkoli na svetu, ne da bi morali stati v prometnem zastoju. Leteti brez kril, ne da bi bil na krovu letala ali česa močnejšega. Naj vržejo kamen vame tisti, ki niso želeli biti na mestu Tonyja Starka v njegovih najboljših trenutkih (v obleki Iron Mana, seveda). Delno bo te sanje lahko uresničil eksoskelet - naprava, ki lahko zaradi zunanjega okvirja poveča človekove sposobnosti (predvsem fizično, mišično moč). V tem gradivu vam bomo povedali, kaj je ta naprava, kakšen razvoj že obstaja in kako se bodo tehnologije razvijale v prihodnosti.

Od elastičnega do "železnega človeka"

Znanost in tehnologija sta brez pretiravanja najhujša tekma iznajdljivosti med človekom in naravo. Skozi celotno zgodovino si je človek prizadeval preurediti svet okoli sebe, da bi ustrezal njegovim potrebam. Nekje mu to uspe, pogosto ne brez škode za naravo. Nekje jo moraš pogledati. In medtem ko ima večina nevretenčarjev zunanje okostje v takšni ali drugačni obliki, ga ljudje nimajo. Ampak ni bilo kril? Danes eksoskelet pomeni mehansko obleko ali njen del do višine 2-2,5 metra. Sledijo "mobilne obleke", mehi in drugi velikanski humanoidni roboti. Kot marsikaj drugega v našem življenju tudi eksoskeleti postopoma prestopajo mejo, ki ločuje divje sanje in vsakdanje življenje. Prvotno le ideje, koncepti, miti in legende znanstvene fantastike, danes pa se nove različice eksoskeletov pojavljajo skoraj vsak teden. Za prvega izumitelja eksoskeleta velja ruski »strojni inženir« Nikolaj Ferdinandovich Yagn, ki je že v 1890-ih registriral številne patente na to temo. Živel je v Ameriki, kjer je svoje čudeže pravzaprav tudi patentiral, jih razkazoval na razstavah, po vrnitvi v domovino pa jih izumil na novo. Njegov eksoskelet naj bi vojaku v prvi vrsti olajšal hojo, tek in skakanje. Že takrat je ruski genij predvidel potencialno vojaško moč tovrstnih naprav.

NIKOLAJ Ferdinandovič YAGN Poleg eksoskeleta je Yagn razvil hladilne zavese, hidravlični motor, nihajni propeler, samovar-sterilizator in druge naprave.

Hardiman

Ne zanikajmo, da so pisci znanstvene fantastike dali ogromen in neizmeren prispevek k razvoju eksoskeletov. Leta 1959 je po hvaljenem romanu Roberta Heinleina "Starship Troopers" vsem postalo jasno, da so obleke z zunanjim okvirjem prihodnost vojaških operacij in še več. In gremo. Prvi eksoskelet je ustvaril General Electric ob podpori Ministrstva za obrambo ZDA v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Hardiman je tehtal 680 kilogramov in je lahko dvignil bremena do 110 kilogramov. Kljub vsem svojim velikanskim ambicijam - in želeli so ga uporabljati pod vodo in v vesolju ter nositi bojne glave in jedrske palice - se ni izkazal na najboljši način. Priročno so pozabili nanj.

Napravo "pedomotor", ki nejasno spominja na eksoskelete, je izumil izumitelj Leslie S. Kelly, razvit leta 1917

Devet let pozneje je Miomir Vukobratović iz Beograda, Jugoslavija, pokazal prvi eksoskelet za hojo na pogon, katerega namen je bil ljudem s paraplegijo omogočiti hojo. Naprava je temeljila na pnevmatskem pogonu. Sovjetski znanstveniki iz Centralnega inštituta za travmatologijo in ortopedijo N. N. Priorova so dali prve pobude za razvoj eksoskeletov skupaj z jugoslovanskimi kolegi na podlagi dela Vukobratovicha. Toda z začetkom perestrojke so bili projekti zaprti in ni nobenih informacij o tajnem podzemnem razvoju eksoskeletov. Z raziskovanjem vesolja pa je bilo vse v redu. V različnih časih v različnih državah so mojstri poskušali izdelati eksoskelete za najrazličnejše namene, vendar jim je zaradi vrste ovir (o katerih bomo govorili kasneje) izjemno slabo uspevalo. Pomanjkanje energetskih virov, počasna rast znanstvenega in tehnološkega napredka, razvoj znanosti o materialih in drugih sorodnih ved ter razvoj računalništva in kibernetike, katerega val se je dvignil šele pred približno 30 leti, je vse to upočasnjeno. razvoj eksoskeletov. Brez dvoma so to najkompleksnejše tehnologije, ki jih ljudje še niso obvladali.

Težave z eksoskeleti

Na tem planetu ni veliko materialov, iz katerih lahko narediš trden okvir in ki s svojo težo ne bo otežil zadeve. Vsekakor jih ni bilo veliko, a ob upoštevanju vesoljskih poletov, vojaškega razvoja, razvoja znanosti o materialih, nanotehnologije in še kakega ducata drugih zanimivih področij človeštvo postopoma osvaja eno ovir za drugo. Na začetku 21. stoletja je zanimanje za eksoskelete vzplamtelo z izjemno močjo in gori še danes. Najprej pa se pogovorimo o glavnih težavah, s katerimi se srečujejo ustvarjalci eksoskeleta. Če hipotetični eksoskelet razdelimo na komponente, imamo: vir energije, mehanski skelet in programsko opremo. In če se zdi, da je z zadnjima dvema točkama vse jasno in skoraj ni več težav, potem je napajanje resna težava. Inženirji z običajnim virom energije ne morejo samo ustvariti eksoskeleta, ampak ga tudi združiti s vesoljskim skafandrom in jetpackom. Rezultat bi verjetno bila obleka "Iron Man", vendar se novi Tony Stark še ni pojavil.

Napajanje Vsak današnji kompaktni vir energije lahko eksoskeletu zagotovi le nekaj ur delovanja baterije. Naslednja je odvisnost od žice. Baterije, ki jih ni mogoče polniti, in baterije, ki jih je mogoče polniti, imajo svoje omejitve, na primer zahtevajo zamenjavo ali počasno polnjenje. Motorji z notranjim zgorevanjem morajo biti zelo zanesljivi, vendar ne posebno kompaktni. Poleg tega bo v slednjem primeru potreben dodaten hladilni sistem, sam motor z notranjim zgorevanjem pa je težko konfigurirati za takojšnje sproščanje velike količine energije. Elektrokemične gorivne celice je mogoče hitro napolniti s tekočim gorivom (kot je metanol) in zagotoviti želeno in takojšnjo proizvodnjo energije, vendar delujejo pri izjemno visokih temperaturah. 600 stopinj Celzija je relativno nizka temperatura za tak vir energije. Z njim se bo "železni mož" spremenil v hot dog. Nenavadno je, da je najbolj možna rešitev vprašanja goriva za eksoskelete prihodnosti morda najbolj nemogoča: brezžični prenos energije. Lahko bi rešil marsikaj, saj se lahko prenaša iz poljubno velikega reaktorja (tudi jedrskega). Ampak kako? Vprašanje je odprto.

Okvir. Prvi eksoskeleti so bili izdelani iz aluminija in jekla, ki so bili poceni in enostavni za uporabo. Toda jeklo je pretežko in eksoskelet mora delati tudi, da dvigne lastno težo. V skladu s tem, če je obleka težka, se bo njena učinkovitost zmanjšala. Aluminijeve zlitine so dokaj lahke, vendar kopičijo utrujenost, kar pomeni, da niso posebej primerne za velike obremenitve. Inženirji iščejo lahke, močne materiale, kot so titan ali ogljikova vlakna. Neizogibno bodo dragi, vendar bodo zagotovili učinkovitost eksoskeleta. Poseben problem predstavljajo pogoni. Standardni hidravlični cilindri so zmogljivi in lahko delujejo zelo natančno, vendar so težki in zahtevajo tono cevi in cevi. Pnevmatika je po drugi strani preveč nepredvidljiva glede gibanja rokovanja, saj bodo stisnjene plinske vzmeti in reakcijske sile potisnile aktuatorje. Vendar pa se razvijajo novi elektronski servomotorji, ki bodo uporabljali magnete in zagotavljali odzivne gibe, medtem ko bodo porabili minimalno energijo in bodo majhni. To lahko primerjate s prehodom s parnih lokomotiv na vlake. Opozorimo še na prožnost, ki bi jo morali imeti sklepi, a tu lahko težave eksoskeletov rešijo razvijalci vesoljskih oblek. Prav tako vam bodo pomagali ugotoviti, kako prilagoditi obleko velikosti uporabnika.

Eksoskeleti in prihodnost

Leta 2010 sta Sarcos in Raytheon skupaj z ameriškim ministrstvom za obrambo pokazala bojni eksoskelet XOS 2. Prvi prototip je izšel dve leti prej, vendar ni povzročil razburjenja. Toda XOS 2 se je izkazal za tako kul, da je revija Time eksoskelete uvrstila na seznam petih najboljših vojaških inovacij leta. Od takrat si vodilni svetovni inženirji nabijajo glavo, da bi ustvarili eksoskelete, ki lahko zagotovijo prednost na bojišču. In tudi zunaj njega.

Kaj imamo danes?

ReWalk Ta eksoskelet je bil predstavljen leta 2011 in je bil zasnovan za ljudi s posebnimi potrebami. Januarja 2013 je bila izdana posodobljena različica ReWalk Rehabilitation, junija 2014 pa je FDA odobrila uporabo eksoskeleta v javnosti in doma, s čimer je odprla pot njegovi komercializaciji. Sistem tehta približno 23,3 kg, temelji na sistemu Windows in ima tri načine: hoja, sedenje in stanje. Cena: od 70 do 85 tisoč dolarjev.

XOS Serija teh vojaških eksoskeletov je v aktivnem razvoju (XOS 3 je naslednji). Tehta približno 80 kg in omogoča lastniku, da zlahka dvigne 90 dodatnih kg. Najnovejši modeli oblek so tako prilagodljivi, da omogočajo igro z žogo. Kot ugotavljajo proizvajalci, lahko en XOS nadomesti tri vojake. Morda bo tretja generacija eksoskeleta bližje temu, kar vidimo na platnih znanstvenofantastičnih filmov v zadnjih letih. Žal, za zdaj je vezan na zunanji vir energije.

HULC. Human Universal Load Carrier je kreacija znanega podjetja Lockheed Martin skupaj z Berkeley Bionics. Tudi ta eksoskelet je namenjen vojski. Osnova je hidravlika in litij-polimerne baterije. S pravilno obremenitvijo zunanjega ogrodja lahko nanj prenesemo do 140 kg odvečnega tovora. Pričakuje se, da bodo vojaki lahko uporabljali HULC a la "me and my friend truck" 72 ur. Razvoj je v polnem zamahu, zato ni presenetljivo, da bo HULC morda prvi, ki bo prišel v uporabo v ZDA.

ExoHiker, ExoClimber in eLEGS (Ekso). Prototipi so ponovno Berkeley Bionics, zasnovani za opravljanje različnih nalog. Prvi naj bi popotnikom pomagal prenašati do 50 kg tovora, predstavljen je bil februarja 2005 in tehta okoli 10 kg. Glede na majhno sončno ploščo lahko deluje zelo, zelo dolgo. ExoClimber je desetkilogramski dodatek k ExoHikerju, ki uporabniku omogoča skakanje in plezanje po stopnicah. Leta 2010 je razvoj Berkeley Bionics povzročil eLEGS. Ta sistem je popoln hidravlični eksoskelet, ki paraliziranim ljudem omogoča hojo in stanje. Leta 2011 se je eLEGS preimenoval v Ekso. Tehta 20 kg, premika se z največjo hitrostjo 3,2 km/h in deluje 6 ur.

Povprečna cena medicinskega eksoskeleta je 90 tisoč dolarjev.

S težo 12 kg vam zasnova omogoča, da brez težav nosite do 100 kg tovora. Podjetje namerava razviti model moči ExoAtler-A, ki bo omogočal prenašanje do 200 kg, ter medicinski eksoskelet za rehabilitacijo invalidov. Vsem tem kostumom je skupno to, da so predstavljeni večinoma kot prototipi. To pomeni, da se bodo izboljšali. To pomeni, da jih čakajo preizkusi na terenu. To pomeni, da bodo novi modeli. To pomeni, da so prihodnost. Prezgodaj je reči, da je delujoč in uporaben eksoskelet mogoče kupiti na črnem trgu. Toda začetek je bil narejen in razvoj te smeri samozavestno vstopa v širok mainstream. Še vedno smo daleč od kostuma Tonyja Starka, a kaj nam preprečuje, da bi uživali v spektakularnih filmih?

"ExoAtlet"

Raztrgajte zrak s hitrostjo zvoka in hitite proti obzorju, z iztegnjenimi rokami v železni obleki. Kot bi mignil, se znajdite kjerkoli na svetu, ne da bi morali stati v prometnem zastoju. Leteti brez kril, ne da bi bil na krovu letala ali česa močnejšega. Naj nekdo, ki ni želel biti v koži Tonyja Starka v njegovih najboljših trenutkih (v obleki Iron Mana, seveda), vrže kamen vame. Delno bo te sanje lahko uresničil eksoskelet - naprava, ki lahko zaradi zunanjega okvirja poveča človekove sposobnosti (predvsem fizično, mišično moč). V tem gradivu vam bomo povedali, kaj je ta naprava, kakšen razvoj že obstaja in kako se bodo tehnologije razvijale v prihodnosti.

Od elastičnega do "železnega človeka"

Danes eksoskelet pomeni mehansko obleko ali njen del do višine 2–2,5 metra. Sledijo "mobilne obleke", mehi in drugi velikanski humanoidni roboti.

Kot marsikaj drugega v našem življenju tudi eksoskeleti postopoma prestopajo mejo, ki ločuje divje sanje in vsakdanje življenje. Prvotno le ideje, koncepti, miti in legende znanstvene fantastike, danes pa se nove različice eksoskeletov pojavljajo skoraj vsak teden.

Za prvega izumitelja eksoskeleta velja ruski »strojni inženir« Nikolaj Ferdinandovich Yagn, ki je že v 1890-ih registriral številne patente na to temo. Živel je v Ameriki, kjer je svoje čudeže pravzaprav tudi patentiral, jih razkazoval na razstavah, po vrnitvi v domovino pa jih izumil na novo. Njegov eksoskelet naj bi vojaku v prvi vrsti olajšal hojo, tek in skakanje. Že takrat je ruski genij predvidel potencialno vojaško moč tovrstnih naprav.

NIKOLAJ
Ferdinandovich YAGN

Poleg eksoskeleta je Yagn razvil hladilne zavese, hidravlični motor, nihajni propeler, samovar-sterilizator in druge naprave.

Hardiman

Prvi eksoskelet je ustvaril General Electric ob podpori Ministrstva za obrambo ZDA v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Hardiman je tehtal 680 kilogramov in je lahko dvignil bremena do 110 kilogramov. Kljub vsem svojim velikanskim ambicijam - in želeli so ga uporabljati pod vodo in v vesolju ter nositi bojne glave in jedrske palice - se ni izkazal najbolje. Priročno so pozabili nanj.

"pedomotor" naprava, ki nejasno spominja na eksoskelete izumitelja Leslieja S. Kellyja, razvita leta 1917

V različnih časih v različnih državah so mojstri poskušali izdelati eksoskelete za najrazličnejše namene, vendar jim je zaradi vrste ovir (o katerih bomo govorili kasneje) izjemno slabo uspevalo. Pomanjkanje energetskih virov, počasna rast znanstvenega in tehnološkega napredka, razvoj znanosti o materialih in drugih sorodnih ved ter razvoj računalništva in kibernetike, katerega val se je dvignil šele pred približno 30 leti, je vse to upočasnjeno. razvoj eksoskeletov. Brez dvoma so to najkompleksnejše tehnologije, ki jih ljudje še niso obvladali.

Težave z eksoskeleti

Na tem planetu ni veliko materialov, iz katerih lahko naredite togo ogrodje in ki s svojo težo ne bodo otežili zadeve. Vsekakor jih ni bilo veliko, a ob upoštevanju vesoljskih poletov, vojaškega razvoja, razvoja znanosti o materialih, nanotehnologije in še kakega ducata drugih zanimivih področij človeštvo postopoma osvaja eno ovir za drugo. IN začetek XXI stoletja je zanimanje za eksoskelete vzplamtelo z izjemno močjo in gori vse do danes. Najprej pa se pogovorimo o glavnih težavah, s katerimi se srečujejo ustvarjalci eksoskeleta.

Če hipotetični eksoskelet razdelimo na komponente, imamo: vir energije, mehanski skelet in programsko opremo. In če se zdi, da je z zadnjima dvema točkama vse jasno in skoraj ni več težav, potem je napajanje resna težava. Inženirji z običajnim virom energije ne morejo samo ustvariti eksoskeleta, ampak ga tudi združiti s vesoljskim skafandrom in jetpackom. Rezultat bi bila verjetno obleka Iron Man, vendar se novi Tony Stark še ni pojavil.

Vsak današnji kompaktni vir energije lahko eksoskeletu zagotovi le nekaj ur delovanja baterije. Naslednja je odvisnost od žice. Baterije, ki jih ni mogoče polniti, in baterije, ki jih je mogoče polniti, imajo svoje omejitve, na primer zahtevajo zamenjavo ali počasno polnjenje. Motorji z notranjim zgorevanjem morajo biti zelo zanesljivi, vendar ne posebno kompaktni. Poleg tega bo v slednjem primeru potreben dodaten hladilni sistem, sam motor z notranjim zgorevanjem pa je težko konfigurirati za takojšnje sproščanje velike količine energije. Elektrokemične gorivne celice je mogoče hitro napolniti s tekočim gorivom (kot je metanol) in zagotoviti želeno in takojšnjo proizvodnjo energije, vendar delujejo pri izjemno visokih temperaturah. 600 stopinj Celzija je relativno nizka temperatura za tak vir energije. Z njim se bo "železni mož" spremenil v hot dog.

Nenavadno je, da je najbolj možna rešitev vprašanja goriva za eksoskelete prihodnosti morda najbolj nemogoča: brezžični prenos energije. Lahko bi rešil marsikaj, saj se lahko prenaša iz poljubno velikega reaktorja (tudi jedrskega). Ampak kako? Vprašanje je odprto.

Prvi eksoskeleti so bili izdelani iz aluminija in jekla, ki so bili poceni in enostavni za uporabo. Toda jeklo je pretežko in eksoskelet mora delati tudi, da dvigne lastno težo. V skladu s tem, če je obleka težka, se bo njena učinkovitost zmanjšala. Aluminijeve zlitine so dokaj lahke, vendar kopičijo utrujenost, kar pomeni, da niso posebej primerne za velike obremenitve. Inženirji iščejo lahke, močne materiale, kot so titan ali ogljikova vlakna. Neizogibno bodo dragi, vendar bodo zagotovili učinkovitost eksoskeleta.

Poseben problem predstavljajo pogoni. Standardni hidravlični cilindri so zmogljivi in lahko delujejo zelo natančno, vendar so težki in zahtevajo tono cevi in cevi. Pnevmatika je po drugi strani preveč nepredvidljiva glede gibanja rokovanja, saj bodo stisnjene plinske vzmeti in reakcijske sile potisnile aktuatorje.

Vendar pa se razvijajo novi elektronski servomotorji, ki bodo uporabljali magnete in zagotavljali odzivne gibe, medtem ko bodo porabili minimalno energijo in bodo majhni. To lahko primerjate s prehodom s parnih lokomotiv na vlake. Opozorimo še na prožnost, ki bi jo morali imeti sklepi, a tu lahko težave eksoskeletov rešijo razvijalci vesoljskih oblek. Prav tako vam bodo pomagali ugotoviti, kako prilagoditi obleko velikosti uporabnika.

Nadzor

Poseben izziv pri izdelavi eksoskeleta je upravljanje in uravnavanje prekomernih in neželenih gibov. Ne morete kar narediti eksoskeleta z enako hitrostjo reakcije za vsakega člana. Takšen mehanizem je lahko prehiter za uporabnika, vendar je prepočasen neučinkovit. Po drugi strani pa se ne morete zanesti na uporabnika in zaupati senzorjem, da bodo prebrali namere iz telesnih gibov: desinhronizacija gibov uporabnika in obleke bo povzročila poškodbe. Treba je omejiti obe delujoči strani. Inženirji si razbijajo glave nad rešitvijo tega vprašanja. Poleg tega je treba vnaprej zaznati nenamerno ali neželeno premikanje, da zaradi nenamernega kihanja ali kašljanja ne bi morali poklicati rešilca.

Eksoskeleti in prihodnost

Leta 2010 sta Sarcos in Raytheon skupaj z ameriškim ministrstvom za obrambo pokazala bojni eksoskelet XOS 2. Prvi prototip je izšel dve leti prej, vendar ni povzročil razburjenja. Toda XOS 2 se je izkazal za tako kul, da je revija Time eksoskelete uvrstila na seznam petih najboljših vojaških inovacij leta. Od takrat si vodilni svetovni inženirji nabijajo glavo, da bi ustvarili eksoskelete, ki lahko zagotovijo prednost na bojišču. In tudi zunaj njega.

Kaj imamo danes?

Ta eksoskelet je bil predstavljen leta 2011 in je bil zasnovan za ljudi s posebnimi potrebami. Januarja 2013 je izšla posodobljena različica ReWalk Rehabilitation, že junija 2014 pa je FDA odobrila uporabo eksoskeleta v javnosti in doma ter mu s tem odprla komercialno pot. Sistem tehta približno 23,3 kilograma, deluje na sistemu Windows in ima tri načine: hoja, sedenje in stanje. Cena: od 70 do 85 tisoč dolarjev.

Serija teh vojaških eksoskeletov je v aktivnem razvoju (XOS 3 je naslednji). Tehta približno 80 kilogramov in omogoča lastniku, da zlahka dvigne 90 odvečnih kilogramov. Najnovejši modeli oblek so tako prilagodljivi, da omogočajo igro z žogo. Kot ugotavljajo proizvajalci, lahko en XOS nadomesti tri vojake. Morda bo tretja generacija eksoskeleta bližje temu, kar vidimo na platnih znanstvenofantastičnih filmov v zadnjih letih. Žal, za zdaj je vezan na zunanji vir energije.

Human Universal Load Carrier je kreacija znanega podjetja Lockheed Martin skupaj z Berkeley Bionics. Tudi ta eksoskelet je namenjen vojski. Osnova je hidravlika in litij-polimerne baterije. S pravilno obremenitvijo zunanjega okvirja lahko uporabnik na njem prevaža do 140 kilogramov odvečnega tovora. Pričakuje se, da bodo vojaki lahko uporabljali HULC a la "me and my friend truck" 72 ur. Razvoj je v polnem teku, zato ni presenetljivo, da bo HULC morda prvi, ki bo začel služiti v ZDA.

ExoHiker, ExoClimber in eLEGS (Ekso)

Prototipi so spet Berkeley Bionics, namenjeni opravljanju različnih nalog. Prvi naj bi popotnikom pomagal prenašati do 50 kilogramov težke tovore, predstavljen je bil februarja 2005 in tehta okoli 10 kilogramov. Glede na majhno sončno ploščo lahko deluje zelo, zelo dolgo. ExoClimber je desetkilogramski dodatek k ExoHikerju, ki uporabniku omogoča skakanje in plezanje po stopnicah. Leta 2010 je razvoj Berkeley Bionics povzročil eLEGS. Ta sistem je popoln hidravlični eksoskelet, ki paraliziranim ljudem omogoča hojo in stanje. Leta 2011 se je eLEGS preimenoval v Ekso. Tehta 20 kilogramov, premika se z največjo hitrostjo 3,2 km/h in deluje 6 ur.

Še en senzacionalen eksoskelet japonskega proizvajalca robotov Cyberdyne. Njegov namen je omogočiti hojo invalidom. Obstajata dve glavni različici: HAL-3 in HAL-5. Od predstavitve leta 2011 je HAL v manj kot letu dni prevzelo več kot 130 medicinskih inštitutov po vsej državi. Vendar se bodo testiranja nadaljevala vse leto 2014 in morda 2015. Avgusta 2013 je HAL dobil dovoljenje za uporabo kot medicinski robot v Evropi. Najnovejši model obleke tehta okoli 10 kilogramov.

Povprečna cena medicinskega eksoskeleta -
90 tisoč dolarjev.

V Rusiji skupina znanstvenikov, sestavljena na Raziskovalnem inštitutu za mehaniko Moskovske državne univerze, razvija eksoskelet, imenovan "ExoAtlet". Nadaljujejo razvoj Vukobratoviča, ki se je začel v ZSSR, ki smo ga omenili zgoraj. Prvi delujoči pasivni eksoskelet te ekipe je bil razvit za reševalce, gasilce in reševalce. S težo 12 kilogramov vam zasnova omogoča, da brez napora prevažate do 100 kilogramov tovora. Podjetje namerava razviti model moči ExoAtler-A, ki bo omogočal prenašanje do 200 kilogramov, ter medicinski eksoskelet za rehabilitacijo invalidov.

Vsem tem kostumom je skupno to, da so predstavljeni večinoma kot prototipi. To pomeni, da se bodo izboljšali. To pomeni, da jih čakajo preizkusi na terenu. To pomeni, da bodo novi modeli. To pomeni, da so prihodnost. Prezgodaj je reči, da je delujoč in uporaben eksoskelet mogoče kupiti na črnem trgu. Toda začetek je bil narejen in razvoj te smeri samozavestno vstopa v širok mainstream. Še vedno smo daleč od kostuma Tonyja Starka, a kaj nam preprečuje, da bi uživali v spektakularnih filmih? Ljubitelji spektakularnih spopadov z eksoskeleti bodo vedno imeli kaj gledati: "Aliens" (1986), "Iron Man" (2008), "Avatar" (2009), "District No. 9" (2009), "The Avengers" ( 2012), "Elysium" (2013), "Edge of Tomorrow" (2014).

Nekaj je gotovo: eksoskeleti bodo v prihodnosti povsod. Našim astronavtom bodo pomagali raziskovati Mars, zgraditi prve kolonije in udobno krmariti po vesolju. Uporabljali jih bodo v vojaškem segmentu, saj vojakom privzeto dajejo nadčloveško moč. Dali bodo priložnost, da se v celoti preselijo tistim, ki so jo izgubili. Obleka Iron Man bo nekega dne postala resnična, tako kot vse, kar vidite okoli sebe.

"ExoAtlet"

Nedolgo nazaj so lahko otroci z redko nevrološko boleznijo prvič shodili, zahvaljujoč novemu robotskemu eksoskeletu. Te naprave – ki so v bistvu robotske obleke, ki dajejo umetno gibanje uporabnikovim okončinam – postajajo vse pogostejši način za pomoč ljudem, ki ne morejo uporabljati svojih nog za hojo. Toda medtem ko so trenutni eksoskeleti večinoma okorne, težke naprave, bi jih nove tehnologije lahko naredile veliko lažje za uporabo in bolj naravne. Verjetno ste že uganili, kam vse skupaj pelje: v umetno usnje.

Eksoskelete so razvijali od leta 1960. Prvi eksoskelet je bil zajeten komplet nog in rokavic s kremplji, ki je le bežno spominjal na obleko Iron Mana. Z močjo hidravlike je moral pomagati industrijskim delavcem dvigniti na stotine kilogramov teže. Ta projekt je bil neuspešen in ni deloval, toda naslednje različice so postajale vse boljše. Danes lahko ljudje končno uporabljajo eksoskelete, da delno izboljšajo svoje lastne sposobnosti, se znova naučijo hoditi z njihovo pomočjo ali celo komunicirajo z računalniki z uporabo dotika ali "haptične" povratne informacije.

Običajno so te naprave sestavljene iz verige členov in močnih sklepov, ki delujejo v tandemu z lastnimi kostmi in sklepi osebe. Umetni udi so varno pritrjeni na ude osebe in nadaljujejo svoje gibanje. Eksoskelet je mogoče nadzorovati z računalnikom – na primer, če izvaja fizikalno terapevtsko rutino – ali s spremljanjem električne aktivnosti v uporabnikovih mišicah in vzdrževanjem sile, ki jo ustvarjajo.

Težko in boleče
Eksoskeleti se kljub pol stoletja raziskav še vedno premalo uporabljajo. V veliki meri zato, ker jih je bilo dolgotrajno nositi neprijetno, saj so telesa ljudi drugačna od oblek, ki so narejene kot ena Prokrustova postelja. Nekateri eksoskeleti se bolje prilegajo človeškemu telesu, a če se robotski sklepi in uporabnikovi dejanski sklepi ne vrtijo sinhronizirano, se lahko pojavi nelagodje ali bolečina. Vse to otežuje togost vsakega dela obleke.

Druga skrb, zlasti pri eksoskeletih zgornjega dela telesa, je njihova teža, saj so izdelani iz močnih materialov, ki lahko prenesejo velike uteži in podpirajo telo. Sodobne obleke tudi ne prenesejo temperaturnih sprememb ali dežja dobro, zaradi česar jih je težko uporabljati v resničnem svetu. In ljudje se še vedno ne morejo navaditi na njihov videz.

Mehka robotika
Vendar morajo biti tudi ti lahki aktuatorji pritrjeni na togo mehansko strukturo na telesu uporabnika. Znanstveniki v Centru za avtonomne sisteme in robotiko Univerze Salford razvijajo še eno alternativo: mehko robotiko. Ta tehnologija uporablja fizično mehke napredne materiale za izvajanje istih nalog, ki jih opravljajo tradicionalne trde robotske naprave. Še posebej so primerni za interakcijo z ljudmi, saj mehki pogosto pomenijo lahke in bo manj možnosti za poškodbe, če trčite v osebo.

Eksoskeleti se začenjajo komercialno prodajati in v prihodnjih letih bomo verjetno videli veliko novih stvari. Leta 2012 je paralizirana ženska Claire Lomas celo zaključila londonski maraton z eksoskeletom. Toda še vedno je veliko inženirskih izzivov, ki jih bo treba premagati, preden bomo videli široko uporabo takih sistemov. Vsaj potrebujemo način za napajanje teh oblek, ne da bi jih morali priklapljati vsake pol ure.