Экзоскелеты

Экзоскелеты давно вышли за пределы фантастики, но реальность заметно спокойнее образа «Железного человека». Сегодня существуют медицинские системы для реабилитации и помощи при ходьбе, промышленные разгрузочные устройства и военные прототипы. Они не превращают человека в «суперпехотинца», а решают конкретные задачи в пределах возможностей приводов, батарей и системы управления.

Главная практическая цель большинства современных экзоскелетов — не сделать здорового человека сверхсильным, а поддержать движение, уменьшить нагрузку или помочь восстановлению определенных навыков.

Развитие экзоскелетов стало возможным благодаря более компактным электродвигателям, аккумуляторам, датчикам движения и системам управления. В медицине такие устройства применяются только для определенных групп пациентов и по конкретным показаниям: они могут помочь тренировке или передвижению, но не гарантируют восстановление самостоятельной ходьбы каждому человеку с параличом.

В японском городе Токио построена статуя робота-трансформера Гандама в натуральную величину

А теперь пристегнитесь и подготовьтесь к путешествию по самым революционным робототехническим и бионическим достижениям, кардинально изменяющим наш мир. Добро пожаловать в мир, объединяющий людей и машины.

HAL

Одна из самых полезных разработок в области расширения возможностей человека — это гибридная вспомогательная конечность, сконструированная корпорацией Cyberdyne Inc. и имеющая кодовое название HAL. HAL — одна из наиболее известных систем Cyberdyne для поддержки движений нижних конечностей. Медицинские версии используются как роботизированные экзоскелеты для определенных программ реабилитации и помощи при ходьбе.

Экзоскелет крепится к нижней части спины и ногам пациента и работает в несколько этапов. Сначала пациент задумывается о движении, которое хочет совершить, например, о ходьбе. Мозг пациента посылает к мышцам нервные импульсы, необходимые для осуществления движения. Парализованный человек обычно не может корректно принимать эти нервные сигналы в мышцах конечностей, но при подключении HAL такая возможность появляется. Она умеет считывать слабые вторичные биоэлектрические импульсы (потенциалы), возникающие при передаче сигналов от мозга к мышцам, с поверхности кожи человека. При обнаружении этих сигналов HAL интерпретирует движение, о котором подумал пациент, и выполняет его, что позволяет человеку двигаться.

Первый прототип экзоскелета Hybrid Assistive Limb (HAL) был разработан в 1997 году.

В реабилитации HAL используют для многократной тренировки движений с биологической обратной связью. Это достигается потому, что при каждом использовании HAL мозг пациента получает позитивную биологическую обратную связь от нижних конечностей о том, что желаемое движение было выполнено успешно. Результат зависит от причины и тяжести нарушения, поэтому нельзя обещать, что тренировка с экзоскелетом обязательно приведет к самостоятельной ходьбе без устройства.

HULC

Если HAL развивался прежде всего как медицинская и вспомогательная система, то HULC компании Lockheed Martin был военным исследовательским экзоскелетом. Его представили в 2009 году как платформу для облегчения переноски тяжелых грузов.

Выбравшись за пределы комиксов и фильмов, таких как «Бросок кобры», экзоскелеты теперь помогают солдатам в полевых условиях

По заявленным характеристикам прототип HULC должен был перераспределять нагрузку и помогать переносить груз массой до 200 фунтов (около 91 кг). Эти данные относились к экспериментальной программе и не означают, что система стала штатным массовым армейским снаряжением. Это достигается путем увеличения возможностей солдата с помощью активных титановых ног и экзоскелета, управляемого компьютером и оборудованного встроенным источником питания. Этот механизм переносит вес груза на землю, обеспечивая при этом солдата силами для продолжительного, быстрого перемещения в области военных действий.

Благодаря усовершенствованной композитной конструкции и специальным материалам, HULC защищает своих пользователей от повреждений опорно-двигательного аппарата, вызываемых переносом тяжелых грузов. HULC хорошо показывает интерес военных к силовым экзоскелетам в конце 2000-х — начале 2010-х годов, но прежние прогнозы о скором массовом появлении «механизированных солдат» не оправдались.

PROSTHESIS

«Простесис» — громоздкая машина, управляемая исключительно движениями человека. Разве вы не будете поражены, если узнаете, что антиробот весит около 3,5 тонны и возвышается над землей на 4,2 м?

Антиробот «Простесис» — впечатляющее расширение возможностей человека

Пилот может перемещать такую огромную машину собственным усилием благодаря интерфейсам, крепящимся к рукам и ногам и передающим движения конечностей человека четырем гидравлическим ногам робота. Точность управления и обратной связи такова, что через некоторое время управляющий роботом человек начинает ощущать экзоскелет как естественное дополнение к своему телу и, когда нагрузка на конечности робота увеличивается, человеку тоже становится труднее двигаться. Система подвески помогает пилоту ощущать, когда ноги робота касаются земли.

Проект «Простесис» разрабатывался исключительно при помощи добровольцев.

Антиробот прекрасно демонстрирует возможности экзоскелетов. Не так сложно представить в ближайшем будущем механизированных строителей, с легкостью перемещающих огромные грузы.

EKSO BIONIC

Экзоскелеты Ekso Bionics относятся к медицинским роботизированным системам для реабилитации и тренировки ходьбы у определенных пациентов. Во время ношения экзоскелета люди с тяжелыми заболеваниями двигательного аппарата после перенесенного инсульта, повреждения спинного или головного мозга, могут вновь освоить правильные алгоритмы ходьбы и переноса веса. Это элементарные движения, которые здоровые люди совершают, не задумываясь. Парализованным людям приходится осваивать их заново, костюм помогает им в этом и записывает каждое движение для последующего анализа.

Уникальная возможность записи, встроенная в экзоскелет Ekso Bionic, предусмотрена для каждого нового пациента с первой тренировки. Облачение в костюм занимает всего пять минут, так как костюм крепится к обычной одежде. Ekso Bionic имеет несколько встроенных режимов обучения и способен научить своего парализованного владельца ходить правильно с разной скоростью. Разработка этой линии началась в 2000-х годах и стала одним из примеров перехода экзоскелетов из исследовательских проектов в регулируемые медицинские устройства.

LAND WALKER

На самой экстремальной стороне революции мехов находится «Ленд уокер» компании SakakibaraKikai — двуногий экзоскелет высотой 3,4 м и весом в 1000 кг. Его дизайн повторяет внешний вид боевых мехов из популярной научной фантастики, таких как вездеход AT-ST из серии фильмов «Звездные войны». «Ленд уокер» — первый в мире механизм такого типа, способный передвигаться на двух ногах под управлением усидчивого пилота-человека.

«Ленд уокер» — экспериментальный пилотируемый робот Sakakibara Kikai, показанный в Японии в 2005 году

«Ленд уокер» был показан компанией Sakakibara Kikai в 2005 году. Машина высотой около 3,4 м и массой около тонны передвигалась примерно со скоростью 1,5 км/ч, а по бокам кабины были установлены пневматические устройства, стрелявшие мягкими шарами. Тогда изготовление такого робота на заказ оценивали примерно в 36 млн иен. Эту цифру следует воспринимать как цену середины 2000-х, а не как актуальное коммерческое предложение.

«Ленд уокер» создавался прежде всего как демонстрационный и развлекательный робот, вдохновленный фантастическими мехами. Поэтому старые предположения о его скором использовании полицией или в качестве боевой машины лучше рассматривать как футурологию, а не как заявленную область практического применения.

ENRYU

Большой, управляемый человеком робот, предназначенный для использования в условиях чрезвычайных ситуаций, T-52 Enryu (в переводе с японского «T-52 Спасательный дракон») — один из элементов спасательной операции. Высотой 3,45 и шириной 2,4 м, он оборудован семью 6,8-мегапиксельными CCD-видеокамерами и способен поднимать объекты весом до одной тонны с помощью гидравлических манипуляторов. T-52 был крупным экспериментальным спасательным роботом своего времени, созданным для работы с тяжелыми объектами в опасной зоне.

Мех был построен для проведения тяжелых работ в районах бедствия японской компанией TMSUK в партнерстве с Киотским университетом и Национальным научно-исследовательским институтом Японии по пожарам и катастрофам. T-52 может управляться либо пилотом из бронированной кабины, либо дистанционно со специального пульта, при этом оператор получает контекстуальную информацию через несколько ЖК-дисплеев.

Машина специализируется на подъеме больших и тяжелых предметов, а это означает, что она может помочь людям, выжившим в землетрясениях и находящимся под обломками зданий.

T-52 Enryu был экспериментальным спасательным роботом начала 2000-х; его испытания включали работу с тяжелыми обломками. Позднее TMSUK создала более компактный T-53. После аварии на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году именно T-53 готовили к возможной работе в опасной зоне. Сегодня компания продолжает эту линию уже моделями T-54 и T-55 Enryu.

Лучшие из оставшихся

Kuratas

Как исполинская боевая игрушка, мех «Куратас» позволяет своему владельцу кататься в  футуристической кабине и  стрелять со скоростью 6000 выстрелов в  минуту с  помощью пары пулеметов Гатлинга.

Sarcos XOS 2

XOS 2 был представлен Raytheon Sarcos в 2010 году как экспериментальный силовой экзоскелет для облегчения переноски тяжелых грузов. Разработчики тогда говорили о возможном практическом применении подобных систем в течение нескольких лет, однако прежний прогноз о вводе XOS 2 в эксплуатацию к 2020 году не реализовался. Сам XOS 2 остался важным прототипом в истории силовых экзоскелетов.

Механические ноги компании Honda

Разработка Honda под названием Body Weight Support Assist представляет собой своего рода экзоскелет, который помогает людям, имеющим те или иные повреждения опорно-двигательного аппарата, поддерживать верхнюю часть тела, снимая часть нагрузки с  ног.

Тяжелый подъемник компании Raytheon

Разработанный для переноса больших ящиков, контейнеров и  предметов, мех Heavy Lifter предоставляет пилоту высокую степень свободы и  ловкости.

Kid’s Walker

Младший брат «Ленд уокера», «Кидс уокер» стоимостью около 1,2  млн рублей предназначен для того, чтобы дети возрастом от четырех до двенадцати лет могли пилотировать собственного мé ха, оставаясь в  безопасности.

История подъема мé хов

Развитие робототехнических технологий

• 1961 г. Компания Jered Industries разрабатывает Beetle — огромного меха на гусеничном ходу весом 77 тонн. Пилот защищен стальной обшивкой.
• 1968 г. Компания General Electric разрабатывает первую кибернетическую шагающую машину, пилотируемого меха с  гидравлическими руками и  ногами.
• 1989 г. В лабораториях Массачусетского технологического института разработано маленькое робототехническое насекомое Ghenghis, способное двигаться по пересеченной местности, сохраняя равновесие.
• 1993 г. Компания Honda представила человекоподобного робота P1, способного ходить на двух ногах. Исследования этой линии привели к созданию ASIMO, впервые представленного в 2000 г.; позднее Honda завершила развитие именно модели ASIMO, продолжив исследования робототехники на новых платформах.
• 2000 г. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) запустило программу разработки экзоскелета, пригодного для использования в  военных целях. Выбор остановился на модели Sarcos XOS.
• 2004 г. Компания Tmsuk и  Киотский университет разработали T-52 Enryu — одного из первых спасательных роботов для использования японскими аварийными службами.
• 2006 г. Японский производитель техники Sakakibara-Kikai разрабатывает первого полноценного двуногого меха. Огромная машина в  высоту составляет 3,4 м.
• 2009 г. Компания Lockheed Martin демонстрирует универсальное транспортировочное устройство для человека (HULC) — экзоскелет, специально предназначенный для ношения американскими солдатами.
• 2011 г. Компания Rex Bionics выпускает экзоскелет Rex — устройство, состоящее из пары роботизированных ног, которое может помочь парализованным людям вставать и  ходить.
• 2013 г. Компания Honda проводит в  Чилийском реабилитационном институте испытания своего устройства Walking Assist. Цель разработки — помочь людям, перенесшим инсульт, снова начать ходить.

Топ 5 киномехов

Бродяга. Тихоокеанский рубеж (2013)

Бродяга — один из самых значимых мé хов, помогающий человечеству бороться с  морскими чудовищами, стремящимися уничтожить Землю в  фильме «Тихоокеанский рубеж» 2013  года.

Погрузчик. Чужие (1986)

В фильме «Чужие» Джеймса Кэмерона мех «Погрузчик», пилотируемый главной героиней Сигурни Уивер, Рипли противостоит грозной королеве Чужих.

AMP Аватар (2009)

Еще один отличный мех, придуманный Джеймсом Кэмероном, — это AMP, играющий ключевую роль в  финале фильма «Аватар» и  уничтожающий все на своем пути.

Носорог. Новый Человек-паук. Высокое напряжение (2014)

Русский гангстер Алексей Сицевич вырывается из тюрьмы и  терроризирует Манхэттен в  костюме мé ха, напоминающем носорога.

APU. Матрица: Революция (2003)

Защищая оставшихся в  живых людей от стражей Матрицы, мé хи APU наносят им огромный урон крупнокалиберными пушками.

Костюм человека-паука в реальной жизни

Согласитесь, было бы здорово обладать органами чувств пауков в реальной жизни? Вы не поверите, но теперь это возможно благодаря интереснейшему исследовательскому проекту, реализуемому в Иллинойском университете.

Костюм SpiderSense взаимодействует с некоторыми из миллионов рецепторов кожи, позволяя передавать информацию об окружающей среде человеку, надевшему костюм. Благодаря этой технологии пользователь даже с закрытыми глазами может точно определить приближение объектов.

Костюм SpiderSense работает благодаря носимому тактильному индикатору, состоящему из набора чувствительных модулей, прикрепленных к рукам и ногам пользователя. По мере перемещения человека по комнате данные о расстоянии до объектов передаются ему через датчики, которые соответствующим образом увеличивают или уменьшают давление, считываемое рецепторами кожи и ретранслируемое в мозг. Чувствительные модули посылают и получают ультразвуковые отражения от объектов и препятствий на пути пользователя.

С практической точки зрения технология SpiderSense может быть применена для компенсации ограниченного или отсутствующего чувства, например зрения, или для усиления полнофункциональных чувств.

Источники для проверки фактов: FDA — определение и классификация медицинских приводных экзоскелетов, включая HAL и устройства других производителей; Lockheed Martin — презентация прототипа HULC в 2009 году.