Солдат Будущего

В будущем, максимально ужесточится конкуренция между народами и странами, борьба за ресурсы вступит в новую фазу, в этих условиях,  чтобы отстоять свою независимость и те огромные территории, которые оставили нам  наши предки, потребуется  ряд прорывных технологий – чтобы сохранить мир и паритетное начало на планете. По мимо прочего, военные разработки можно успешно применять в мирных целях .

Экзоскелет.

Впервые требования к экзоскелету для Армии США были сформулированы в 1963 году. Он должен был обеспечивать защиту бойцов, одновременно увеличивая их мускульную силу и уменьшая утомляемость. Работы в рамках проекта тогда вела американская компания General Electric, которая представила первый готовый продукт в конце 1960-х годов. Экзоскелет получил название Hardiman. Благодаря ему, по расчетам инженеров, человек мог бы поднять предмет массой 110 килограммов, прилагая усилия, необходимые для перемещения груза массой 4,5 килограмма.

Hardiman весил 680 килограммов, был неудобен в использовании и отличался замедленной реакцией на действия оператора. Кроме того, одновременное использование частей экзоскелета для верхних и нижних конечностей по необъяснимой причине приводило к неконтролируемому движению конструкции, что могло представлять потенциальную опасность для человека. Из-за этого испытания костюма, надетого на человека, так и не были проведены. Проект получил лишь частичное продолжение — General Electric занялась разработкой механической руки.

Готовый вариант руки, которая могла быть интегрирована в экзоскелет, был представлен в начале 1970-х годов. При помощи нее человек получал возможность с минимальными усилиями поднимать грузы массой до 340 килограммов. Основным недостатком руки была ее масса — почти 750 килограммов. Учитывая, что для экзоскелета нужны два подобных приспособления, да еще и комплект ног в придачу, все устройство могло весить под три тонны, что совершенно не удовлетворяло военных. Проект был закрыт, а новые разработки с тех пор не появлялись почти четверть века.

Свое продолжение идея механизированного солдата получила в начале 2000-х годов, когда Управление перспективных разработок (DARPA) министерства обороны США обнародовало семилетнюю программу создания экзоскелетов. Общий объем финансирования программы составил 75 миллионов долларов, часть из которых получил консорциум Raytheon и Sarcos. Вскоре компании показали военным прототип относительно легкого устройства, использующего систему связи человека с электронно-механической частью экзоскелета, которая обеспечивала практически полную синхронизацию движений оператора и механического каркаса.

1. Raytheon XOS.

Идея создания устройства, позволяющего в несколько раз увеличить мускульную силу человека, существует уже несколько десятков лет. За это время было представлено множество вариантов экзоскелетов, некоторые из которых были забракованы.

28 сентября американская Raytheon показала экзоскелет второго поколения, уже умеющий многое, но все равно еще не пригодный для массового использования. Однако если учесть скорость, с которой ведутся разработки, то до появления серийных силовых устройств остается не так уж и много времени.

Полноценный прототип экзоскелета, получившего название XOS, компании Sarcos и Raytheon представили в 2008 году. Он представлял собой металлическую конструкцию с множеством компактных приводов движения, датчиков мускульной активности и гидравлических клапанов. Конструкция обеспечивала силовую поддержку верхних и нижних конечностей оператора, позволяя без усилий поднимать значительный вес. На спине оператора располагался компьютер, который координировал движения экзоскелета в соответствии с движениями человека. При этом уже все движения осуществлялись синхронно.

Существенными недостатками устройства были высокое энергопотребление и, как следствие, отсутствие автономности, а также ограниченность оператора в движениях. Впрочем, спустя всего два года часть этих ограничений была снята. В конце сентября 2010 года Raytheon показала прототип экзоскелета XOS 2 второго поколения. Это устройство, по другому называемое носимым роботизированным костюмом, стало легче, быстрее и защищеннее от факторов окружающей среды. Кроме того, экзоскелет стал потреблять вдвое меньше энергии. Тем не менее, отказаться от силового кабеля, обеспечивающего аппарат электричеством, инженерам пока не удалось.

OS 2 весит около 70 килограммов и позволяет оператору поднимать грузы массой до 91 килограмма без приложения каких-либо усилий.

Экзоскелеты серии XOS пока разрабатываются с прицелом на военных, занятых транспортировкой различных грузов, а также техников ВВС, оснащающих самолеты вооружением перед вылетом. В полевых условиях использование экзоскелета позволит отказаться от различных погрузочных и транспортировочных машин или домкратов — все тяжести будет переносить оператор костюма. В перспективе планируется создать и боевой экзоскелет, обеспечивающий высокую защиту бойцов и снижающий их утомляемость. Правда, до этого еще далеко. Ведь инженерам придется подумать над значительным уменьшением габаритов устройства, а также его эргономичностью, от которой в боевых действиях будет зависеть жизнь бойца.

Пока же Raytheon и Sarcos занимаются созданием третьего поколения экзоскелетов XOS 3, в которых уже будет реализована автономность, а энергопотребление будет составлять всего 20 процентов от аналогичного показателя XOS 1. Кроме того, новый экзоскелет станет более маневренным и подвижным. Тем не менее, вместе с автономностью инженерам придется решать другую задачу — емкости источника энергии для экзоскелета. Ведь, согласитесь, будет неприятно, если у такого аппарата батарейка “сядет” в момент оснащения самолета перед срочным боевым вылетом.

2. Atlas.

Норвежский дизайнер Эрик Лануза (Erik Ulyses T Lanuza) разработал опорную конструкцию, призванную поддерживать скелет человека в положении, исключающем травмы, связанные с повышенными физическими нагрузками. Не секрет, что, правильно распределяя усилие по различным частям своего тела, человек способен поднимать тяжести большие, чем обычно, при этом не рискуя повредить позвоночник или надорвать мышцы. В то же время, немного согнувшись при подъеме тяжелого груза можно получить тяжелую травму спины.

К сожалению, медсестры, в обязанность которых входит ухаживать за лежачими пациентами, обычно не занимаются профессионально тяжелой атлетикой, и подвергают себя повышенному риску, поднимая больных. В этом случае разработанное норвежцем устройство призвано принять на себя часть усилия. Дело в том, что каждый сустав экзоскелета снабжен небольшим электромотором, а специальные датчики помогают определить, на какую его часть осуществляется давление в конкретный момент времени. Устройство реагирует, поддерживая, например, руку носителя, на которую оказывается нагрузка.

Подобная схема позволяет женщинам, составляюшим основу больничного медперсонала, свободно перемещать пациентов весом до 100 кг. Зарядка устройства производится от обычной электросети.

Так что Atlas свое название оправдывает. Не уверен, что он выдержит небо, но сделать пользователя намного сильнее сможет точно.

3. FarmBot.

Разработчики из Токийского университета сельского хозяйства (Tokyo University of Agriculture and Technology) создали экзоскелет. Цель FarmBot в том, чтобы избавить стареющих японских фермеров от необходимости напрягать свои суставы или мускулы, поднимаясь и перемещая различные объекты. Студент университета Gohei Yamamoto на фото показывает, как работать с данной конструкцией.

Конструкция выглядит не очень красиво, весит достаточно много – более 20-ти кг. При этом использует восемь двигателей и 16 датчиков. Ожидаемая стоимость – $5 000-$10 000, разработчики полагают, что этот новый товар появится на рынке через два года.

4. HULC.

В США компания Lockheed Martin по контракту с армией получила 1,1 млн. долл. на создание новейших автоматических экзоскелетов и оценку в этом году новой версии экзоскелета HULC, предназначенных для увеличения силы и выносливости солдат, а также снижения рисков получения различных травм.

Обновленная система включает в себя микрокомпьютер, который согласовывает движение подсистем экзоскелета с движением солдата. HULC позволяет человеку переносить тяжести, идти, подпрыгивать, ползать, садится на корточки и т.п.

Солдаты часто переносят тяжелые грузы, что зачастую приводит к травмам и усталости. Экзоскелет – устройство, которое поддерживает вес, а гидравлический привод облегчает движения человека, позволяя ему с легкостью переносить грузы весом до 90 кг. При этом его собственный вес немногим более 20 кг.

Очевидно, что на подобные экзоскелеты в будущем дополнительно будут устанавливаться приборы слежения и боевые системы.

Lockheed Martin будет изучать свойства экзоскелетов как при использовании их в боевых действиях, так и промышленной и медицинской сферах. В исследовательском центре (Natick Natick Soldier) Center оценят, как HULC изменяет работу солдат. В ходе биомеханического тестирования будут измерять энергию, израсходованную солдатом, использующем HULC. Также будет оцениваться быстрота обучения пользователя при использовании системы HULC при переноске грузов, различных видах движения на разных скоростях и в разной окружающей среде. Контракт включает в себя варианты для полевых испытаний для тестирования экзоскелета в условиях эксплуатации.

Однако у экзоскелета есть ряд недостатков. Во-первых, время работы аккумулятора. Раньше экзоскелет мог проводить в автономном режиме без дозарядки 1 час, хотя это время планируется увеличить до 72 часов.
Во-вторых, инерция у такого груза при движении достаточно сильная, что может приводить к различным неприятностям – снижении реальной скорости, неловких движениях, падениям… Очевидно, что этот недостаток экзоскелета будет компенсироваться чуть более длительным обучением солдат работе с экзоскелетом.
В-третьих, не совсем понятно, почему солдат превращают в «мулов» – переносчиках грузов, ведь для этого можно использовать небольшие транспортные средства, роботов, наконец. Правда, всегда найдутся места, в которые можно добраться только «пешим способом».

Отметим, что в пресс-релизе Lockheed Martin отмечается, что компания также проводит исследования, чтобы поддержать применение экзоскелетов в индустриальных и медицинских сферах.
Думаю, что роботизированные экзоскелеты могут использоваться не только в военных операциях, но и в повседневной жизни. Например, помогать медсестрам поднять кого-то с кровати или кресла, возить лекарства целый день без устали. Экзоскелет можно применять, на производствах, где нужна грубая сила, это бы позволило сократить количество производственных травм. В общем, в мирное время такой экзоскелет имеет большие потенциальные возможности.

5. PowerSwim и Pisces.

По заказу агентства передовых исследований США (DARPA) уже создано несколько прототипов действующих экзоскелетов и ведутся работы по их доработке и внедрению. Успешные предварительные испытания этих прототипов натолкнули военных США на мысль создать также их подводные аналоги, позволяющие в перспективе увеличить скорость передвижения боевых пловцов под водой.

По заказу DARPA инженеры из института когнитивных способностей человека и машин (Institute for Human and Machine Cognition) начали работу над проектом, названным PISCES – Вспомогательный автономный экзоскелет для плавания (Performance Improving Self Contained Exoskeleton for Swimming). Разработки по теме PISCES отталкивались от успеха созданного ранее силами DARPA устройства, названного PowerSwim.

По своей сути PowerSwim представляет собой систему из двух плавников и корректирующего механизма. Корректирующий механизм устроен так, что при движении пловца под водой он заставляет эти плавники двигаться так же, как работают плавники рыб или хвост дельфина. В результате для передвижения под водой человек затрачивает гораздо меньше усилий и может плыть на 150% быстрее. Плавник PowerSwim позволяет боевому пловцу добраться до пункта назначения быстрее, сэкономив при этом кислород и силы.

В отличии от PowerSwim, система PISCES является полноценным экзоскелетом и не просто передает энергию движений человека на плавники, но и берет на себя часть этой работы. На настоящий момент разработано две концепции системы PISCES: первая направлена на усиление движений пловца в нижней части тела, а вторая идет чуть дальше, пытаясь имитировать те же движения, что используют для плавания пингвины и дельфины. Наиболее перспективной является вторая концепция, так как она задействует не только нижнюю, но и верхнюю часть тела пловца.

Военные из DARPA ожидают, что такой подход к подводному передвижению позволит боевым пловцам быстро, бесшумно и с минимальными потерями кислорода и сил подбираться к важным объектам противника. К сожалению, о технических характеристиках этой интересной и перспективной системы пока ничего не известно.

6. HAL-5.

экзоскелет HAL-5 (Hybrid Assistive Limb) – продукт японской корпорации Cyberdyne.

Поразительный экзоскелет HAL-5, который недавно стали массово производить, должен помогать медицинским работникам при поднятии и перемещении пациентов. Изначально, HAL задумывался как помощник пожилым людям или инвалидам – благодаря этому экзоскелету, они могли бы перемещаться на своих ногах. HAL-3 достиг поставленной задачи в 2000 году.

В 2005, последняя модель HAL-5 получила верхние конечности, а также снижение веса, более компактные блоки питания, более длительное время работы батареи, компактный блок управления, и приглядный дизайн.

HAL – это надеваемый на человека робот, который может увеличивать физический потенциал его пользователя, т.е. помогать в работе. Надевая экзоскелет HAL-5, вы сможете удерживать вес до 40 килограмм руками и увеличить максимальный вес нагрузки на ноги со 100 до 180 килограмм.

Шесть экземпляров экзоскелета уже в августе получат несколько датских госпиталей, где костюмы в течение полугода будут тестироваться на безопасность и эффективность.
Вся система, работающая от батарей, весит около 10 килограммов и крепится на поясе. Ортопедическая опора фиксируется на бедрах и коленях пользователя/пациента.

Высота HAL-5 составляет 1 метр 60 сантиметров. Стандартный костюм весит около 23 кг, а уменьшенная модель — 15 кг, однако костюм «компенсирует» свой вес, поэтому пользователь его не замечает. Экзоскелет способен проработать от аккумуляторных батарей до двух с половиной часов. А стоит костюмчик около 4200$.

продолжение следует…