Фильм «Железный человек» всколыхнул интерес к механическим устройствам, позволяющим человеку увеличить силу и улучшить другие физические способности. К созданию практичного экзоскелета, подобного костюму супергероя Тони Старка, приблизились американская компания Sarcos Raytheon и японская Cyberdyne Systems.
В мировой индустрии экзоскелетов четко очертились два основных направления, резко контрастирующих друг с другом. Американские конструкторы из Sarcos Raytheon сфокусировались на изготовлении тяжеловесных гидравлических механизмов, откликающихся на сокращения человеческих мышц. По другую сторону океана передовая японо-германская команда робототехников сосредоточилась на совершенствовании экзоскелетов с сервоприводами, которые реагируют на сигналы электродов, прикрепленных к человеческой коже.
Американский подход (гидроприводы и мышечные сенсоры)
Компания Sarcos Raytheon, лидирующая в американской индустрии экзоскелетов, является военно-промышленным гигантом, поэтому ее разработки ориентированы не на мирные цели. Производимые ею механические костюмы XOS-2 наделяют солдат силой, выносливостью и способностью проламывать стены.
Экзоскелеты XOS-2 приводится в действие гидравлическими двигателями внутреннего сгорания, в которых жидкость пребывает под высоким давлением. Этот тип приводов, вероятно, выбран из военных соображений, так как его гораздо сложнее вывести из строя, чем, например, взрывоопасную литиево-ионную батарею. Для надевшего экзоскелет человека тяжесть поднимаемых объектов облегчается в 17 раз. Механизмы XOS-2 позволяют достаточно свободно манипулировать грузами до 100 кг.
Вес самого экзоскелета составляет до 95 кг. Он сконструирован из сложных комбинаций автоматических регуляторов, сенсоров, высокопрочного алюминия и стали. Сенсоры XOS-2 фиксируют мышечные сокращения, на основе чего встроенные в систему компьютеры автоматически выбирают, какое движение машина должна сымитировать. Далее подключаются моторы, и экзоскелет воспроизводит движение человека в усиленном варианте.
К примеру, чтобы приподнять 45-килограммовый предмет, уже удерживаемый в вытянутой руке, облаченному в XOS-2 человеку нужно двинуть рукой вверх, применив мышечную силу, равную 5-10% от необходимой. Экзоскелет откроет нужный клапан, чтобы выпустить соответствующий объем жидкости и усилить запланированное движение.
У XOS-2 два основных недостатка. Несмотря на эффективность, системы реагирования на мышечные сокращения пока еще относительно медлительны и нечувствительны. Вдобавок они неавтономны: из-за внушительного энергопотребления эти экзоскелеты работают от сети, хотя данную проблему Sarcos Raytheon обещает вскоре решить, разработав «топливные рюкзаки».
Японский подход (сервоприводы и биосигналы)
В отличие от американцев, робототехники из японской Cyberdyne сосредоточены на мирных целях — помощи инвалидам в восстановлении работоспособности конечностей, спасателям — в разборе завалов после катастроф, а также рабочим-ядерщикам — в работе на радиоактивных объектах.
Созданный Cyberdyne экзоскелет HAL-5 (Hybrid Assistive Limb — гибридная вспомогательная конечность) уже используется в более 100 реабилитационных центрах Японии. Модификации костюмов HAL-5 с радиационной защитой вскоре поступят на поврежденную АЭС «Фукусима-1», где будут использованы для разбора конструкций.
Японские экзоскелеты уступают по мощности американским XOS-2. Они позволяют человеку поднимать и нести груз, лишь до пяти раз тяжелее того, что он осилил бы без помощи. Зато экзоскелет HAL-5 компактен и энергоэффективен. Используя заряд прикрепленной к талии батареи, он способен автономно работать на протяжении двух с половиной часов.
Оболочка HAL-5 изготовлена из термопластичных полимеров, а двигателями служат небольшие сервомоторы — приводы, экономично преобразующие электрическую энергию в точные движения. Сам экзоскелет весит 23 кг, причем эта нагрузка никак не ощущается человеком, так как HAL-5 «несет» и свой вес, и вес своего оператора, поддерживая его конечности.
Поразительная особенность японского экзоскелета состоит в том, что контроль над ним осуществляется мозговыми волнами. Организм устроен так, что когда человек собирается сделать движение, мозг посылает нервные импульсы к мускулам через мотонейроны. Система HAL-5 отслеживает эти очень слабые биосигналы с помощью сети прикрепленных к коже сенсоров, после чего активирует необходимые сервомоторы для движения конечностей робота в унисон с конечностями оператора.
Будущее экзоскелетов
На данном этапе эксперты затрудняются спрогнозировать, какое из направлений робототехники — американское или японское — приведет к созданию наиболее совершенного экзоскелета. Как сообщает издание Extremetech, интригующее открытие Университета Вандербильта обещает устранить все ограничения нынешних гидравлических костюмов. Недавно был презентован платиновый катализатор, заставляющий перекись водорода с неистовой силой превращаться в пар. Это свойство может использоваться для перемещения цилиндров внутри экзоскелета.
Для революционного усовершенствования гидравлических приводов осталось сконструировать клапаны, сохраняющие размеры и свои герметизирующие свойства при частых температурных перепадах. Также предстоит решить проблемы взрывоопасности и ограниченного срока действия пероксидного топлива.
Японские экзоскелеты, вероятно, будут совершенствоваться за счет имплантации искусственных мышц. Хорошо успели себя зарекомендовать полимерные мускулы, изготавливаемые из электроактивного материала, который под воздействием электрического тока из встроенной батареи, подобно живому человеческому мускулу, может сокращаться или расслабляться.
Также большой потенциал таит изобретенная германской компанией Festo технология жидкостных мышц. Эти мускулы состоят из отрезков эластомерных шлангов и работают от сжатого до 6-8 атмосфер воздуха. При подаче давления шланги раздуваются вширь и одновременно сокращаются, словно настоящие мышцы.
Независимо от того, будут ли экзоскелеты наделены способностью летать, энергию для их работы в ближайшем будущем, скорее всего, будут обеспечивать миниатюрные турбины. Современные турбоэлектрические генераторы могут быстро и эффективно заряжать батарею, что делает их привлекательным источником электричества. Достоинства турбин еще в 1980-х гг. эффектно продемонстрировала американская компания Williams International, которая выпустила самый маленький турбовентиляторный двигатель WR19 весом около 30 кг. На его основе была создана экспериментальная реактивная летающая платформа в виде ранца. Одев ее за спину, пилот, который весит 63 кг, может более получаса летать в вертикальном положении со скоростью до 96 км/ч.