Можно ли наделить обычного человека сверхчеловеческими способностями? Ведь усовершенствовать человеческое тело науке пока не удалось. И, по-прежнему, чтобы поднять штангу весом более 100 кг, человеку нужны годы тренировок. Как сделать человека сильнее и выносливее? Ответить на этот вопрос наука сможет уже в ближайшие годы

Результаты фундаментальных исследований, полученных в последнее время в области биомехатроники, позволяют разработать новые классы технических устройств, «интегрированных» с организмом человека. Одним из таких устройств является экзоскелет (внешний скелет), дублирующий опорно-двигательный аппарат человека и существенно расширяющий его физические возможности.

Что такое экзоскелет?

Экзоскелет (внешний скелет, греч.) – устройство, предназначенное для расширения физических возможностей человека за счет внешнего каркаса.

Биомеханическая система человек-экзоскелет представляет собой человеко-машинную систему с большим числом степеней свободы. В этой системе часть функций, таких, например, как поддержание равновесия, остается за человеком. Тяжесть груза, который должен перенести человек, ложится, в основном, на механизм экзоскелета.

Управление такой системой представляет собой сложнейшую проблему биомехатроники. При построении такой системы необходимо учитывать ограничения на мощность усилий, развиваемых приводами экзоскелета, ограничения на массу аппарата и его габариты. Особенность решаемой задачи связана также с нелинейностью и сложностью математической модели системы, которую требуется построить.

Сенсоры, используемые в системе управления экзоскелетом, образуют своеобразную нервную систему механизма, «параллельную» нервной системе человека. Именно поэтому задача по созданию экзоскелета не может быть решена без проведения соответствующего комплекса фундаментальных исследований, связанных с разработкой математической модели, конструкции, системы очувствления, управляющей электроники, с синтезом алгоритмов управления и минимизацией энергозатрат.

Изучение известных конструкций экзоскелетов показывает, что создание экзоскелета является сложной, комплексной проблемой, требующей участия специалистов различных областей науки и техники.

История и современность

  Разработки различных типов экзоскелетов начались более полувека назад. Первый экзоскелет был создан совместно компаниями General Electric и United States military в 60-х годах XX века, и назывался Hardiman. Человек, облаченный в этот экзоскелет, мог поднимать груз массой 110 кг, при этом человек затрачивал усилие, равное примерно 45 Ньютонам. Однако конструкция оказалась непрактичной из-за значительной массы в 680 кг и несовершенной системы управления.

Биотехническое устройство для помощи парализованным людям было разработано под руководством профессора М. Вукобратовича в Институте автоматики и телесвязи имени М. Пупина (г. Белград, Югославия), в начале 70 годов XX века. Этот экзоскелет исследовался в НИИ механики МГУ имени М.В. Ломоносова.

Известные разработки экзоскелетов, в своем большинстве, сосредоточены на экзоскелетах нижних конечностей.

Область возможного применения экзоскелетов представляется весьма широкой. Они могут быть использованы как в военных, так и в медицинских целях. Во многих промышленно-развитых странах ведутся разработки в области создания экзоскелетов и уже продемонстрированы действующие образцы. Одной из важных целей является военное применение экзоскелетов. Заказчиками соответствующих экзоскелетов выступают гиганты мировой военно-промышленной индустрии.

Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) финансирует сразу несколько независимых разработок экзоскелетов, которые ведутся в интересах министерства обороны США.

В процессе разработок должны быть решены следующие задачи:

• Увеличение возможностей по переноске тяжелых грузов.
• Солдаты должны носить на себе тяжелое оружие и другое оборудование; кроме того, увеличив свои возможности, они смогут убирать препятствия со своего пути на марше;
• Увеличение скорости передвижения. Средняя скорость солдата 7–11 км/час, при этом он должен нести на себе 70 кг груза;
• Прыжки на большую высоту и расстояние.

Пока еще неясно, насколько высоко и далеко смогут прыгать люди в экзоскелете, но предполагается, что солдаты должны преодолевать более высокие и широкие препятствия.

Став сильнее, солдаты одновременно станут и выносливее, смогут преодолевать большие расстояния. Кроме того, они смогут чинить тяжелое оборудование, которое иначе было бы невозможно привести в рабочее состояние. Экзоскелеты будут также оборудованы датчиками и встроенными приемниками системы глобального позиционирования, с помощью которых солдаты будут двигаться к заданной точке по неизвестной местности.

Наиболее интересные практические результаты для военного применения продемонстрированы в Калифорнийском университете в Беркли. Проект под названием HULC (Human Universal Load Carrier) ставит целью создание экзоскелета, повышающего грузоподъемность и скорость передвижения солдат с полной боевой выкладкой. Результатом работ над проектом стал экзоскелет под названием BLEEX (Berkeley Lower Extremity Exoskeleton). Более сорока датчиков постоянно анализируют положение груза и человека в пространстве, а гидравлические приводы перераспределяют нагрузку, возлагая большую часть груза на экзоскелет.

Военно-промышленная компания Lockheed Martin приобрела разработку Беркли и внесла собственные дополнения, подготовив экзоскелет к серийному производству под названием HULC.

Образец уже позволяет переносить груз до 90 кг в течение 1 часа со средней скоростью почти 5 км/ч и возможностью кратковременных бросков со скоростью до 16 км/ч.

Представленный образец экзоскелета получает энергию от двухкилограммовой литий-полимерной батареи. В дальнейшем компания Lockheed Martin планирует оснастить свой экзоскелет другими источниками питания: в частности, в него планируется установить бесшумный топливный генератор, работающий на реактивном топливе марки JP8. С потребляемой мощностью порядка 250 Вт экзоскелет HULC сможет работать от такого генератора до 3 суток на одной заправке: предполагается, что солдат будет двигаться в экзоскелете по 8 часов в день.

По сообщениям прессы HULC весит всего 25 кг, а снимается и одевается он в течение нескольких секунд. Разработчики HULC подчеркивают, что даже при севших батареях костюм все равно облегчает движения солдата, компенсируя удары и нагрузку.

На данном этапе развития костюм HULC поддерживает только ноги и тело солдата – работу рук он не поддерживает. Тем не менее, специальная система креплений позволяет устанавливать на этот экзоскелет самое разнообразное дополнительное оборудование, в том числе бронированные конструкции для защиты от пуль и осколков, датчики, системы кондиционирования, и даже станковый пулемет или гранатомет с управлением от лазерного целеуказателя на шлеме.

Экзоатлет – инновационная разработка российских ученых

  В 2011 году в НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова начались работы по созданию экзоскелета. Команда разработчиков имеет большой опыт исследований в области теоретической механики, теории управления, в области создания роботехнических устройств. В состав команды входят профессора и научные сотрудники, имеющие большое количество опубликованных статей и монографии. Реальными результатами их разработок являются, например, мобильный робот «КРОНУС» (защищен патентом № 97080, 2010 г.) и мобильный робот «ЗОРКИЙ» (защищен патентом №99370, 2010 г.).

Работы ведутся по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы».

Проект получил название ExoAtlet. Основой проекта ExoAtlet являются инновационные разработки российских ученых в области расширения физических возможностей человека, защищенные патентами.

Целью проекта, согласно контракту, является создание программно-аппаратного комплекса «Экзоскелетон», предназначенного для дублирования опорно-двигательного аппарата человека с целью уменьшения нагрузок на него при выполнении тяжелой физической работы в различных условиях. Разрабатываемый программно-аппаратный комплекс (ПАК), должен быть предназначен:

1. Для помощи людям с ограниченными физическими возможностями;
2. Для разбора завалов при аварийно-спасательных работах и ликвидации последствий стихийных бедствий или техногенных катастроф, для выполнения операций пожаротушения при ограниченных запасах воздуха в дыхательных аппаратах;
3. Для решения задач, сопровождаемых переноской тяжелых грузов на большие расстояния, для разминирования и проведения антитеррористических операций.

В процессе работы над проектом были выделены две независимые части разработки: создание пассивной и активной модификаций экзоскелета.

1. пассивный экзоскелет – это многозвенный механизм, не содержащий приводов. Такой легкий экзоскелет должен быть приспособлен для задач разгрузки опорно-двигательного аппарата.
2. активный экзоскелет – это многозвенный механизм, в сочленениях (шарнирах) которого должны быть смонтированы электро- и гидроприводы, усиливающие возможности опорно-двигательного аппарата.

Немаловажными вопросами, влияющими на ход и результаты разработки, оказались выбор типа сенсорной системы и силовых приводов.

Сенсорная система, дублирующая элементы нервной системы человека, должна представлять собой совокупность датчиков, измеряющих углы и угловые скорости в сочленениях механизма, а также усилия, развиваемые в элементах конструкции. В зависимости от задач, которые должен решать экзоскелет, для управления им может быть использована также та или иная информация об электрической активности мышц, которая характеризует развиваемые ими усилия, либо информация, поступающая с датчиков усилий, размещенных на экзоскелете, информирующая о намерениях человека-оператора, касающихся его перемещений и т.д.

Датчики усилий не требуют контакта с кожей человека и их показатели не критичны к изменениям, происходящим в организме человека на фоне стресса, усталости и т.п., чем грешат датчики, считывающие информацию об электрической активности мышц. Для военного применения и в условиях чрезвычайных ситуаций это крайне важно.

С аналогичной дилеммой разработчики столкнулись и при выборе между электро- и гидроприводами. Приводы, устанавливаемые в шарнирах механизма, должны создавать усилия, дублирующие (дополняющие) мышечные усилия человека. Благодаря этим приводам человек должен иметь возможность развивать большие усилия, в частности, переносить грузы массой до 100 кг.

Выбор был остановлен на гидроприводах. Основной причиной для этого стало то, что статическая нагрузка – это один из основных режимов работы экзоскелета. Например, полезная нагрузка в 1000 Н приводит к возникновению момента в коленном шарнире равном примерно 300 Нм. Так как статическая нагрузка является неблагоприятным режимом работы для электропривода, для обеспечения таких параметров пришлось бы использовать пару двигатель-редуктор массой около 5 кг. Гидропривод позволяет реализовать движение в большом диапазоне скоростей и нагрузок, не выходя за эксплуатационные нормы, обеспечивая оптимум массогабаритных характеристик.

Активная модификация экзоскелета до недавнего времени находилась на стадии отладки системы управления, а действующий образец планировалось представить в конце 2013 года.

Первый в России действующий образец экзоскелета пассивной модификации Exoatlet P был продемонстрирован на «6-м Международном салоне Комплексной Безопасности 2013» и награжден золотой медалью в номинации «Лучшие инновационные решения в области комплексной безопасности».

Пассивный экзоскелет, созданный в рамках проекта ExoAtlet – это относительно легкий механизм, который вообще не содержит приводов и источников питания. Тем самым он может использоваться человеком в течение длительного времени без подзарядки каких-либо батарей.

Существующая версия – далеко не окончательная. Разработчики планируют продолжить совершенствование пассивной модели. В процессе дальнейших исследований предполагается рассмотреть альтернативную конструкцию, а также схемы управления с целью выбора наиболее совершенного варианта.

Использование пассивного экзоскелета позволяет существенно разгрузить опорно-двигательный аппарат человека при ходьбе по горизонтальной поверхности. При стоянии человека в экзоскелете на месте (на горизонтальной или наклонной поверхности, либо на уступе) с запертыми коленными шарнирами человек практически не ощущает груза, в том числе веса самого экзоскелета. Благодаря этому обстоятельству, для человека возникает возможность в процессе движения остановиться и отдохнуть, не снимая груза.

 Технические характеристики ExoatletP:

• Грузоподъемность – до 100 кг
• Время работы – неограниченно
• Возможность размещения груза сзади и спереди
• Время надевания и готовности к работе – 2 минуты
• Скорость ходьбы – до 5 км/ч
• Масса – 12 кг
• Регулировка размера – от 46 до 56

В рамках Международного Авиационно-космического салона 2013 года командой разработчиков проекта ExoAtlet был впервые продемонстрирован новый вариант пассивной модификации экзоскелета Exoatlet P-1, адаптированный для переноски штурмового щита спецназа. Специальное приспособление для жесткого крепления штурмового щита к раме экзоскелета позволяет его быстро снимать и одевать, освобождает руки бойца. А также, что немаловажно, «перекладывает» вес щита (массой в 35 кг) и кинетическую энергию попадаемых в него пуль на каркас экзоскелета.

Основной акцент в дальнейших разработках будет направлен на расширение функциональных возможностей, необходимых для военного применения экзоскелета – это представляется разработчикам наиболее перспективным направлением развития проекта. Безусловно, создание боевых роботов, управляемых сидящим внутри человеком, будоражит умы фантастов, что выливается в красивые сюжеты фантастических фильмов. Но нужно не забывать о том, что в российской армии остается немало задач, связанных с переноской больших грузов. Решению этих задач экзоскелет сможет помочь уже в ближайшем будущем.

Масса полного штурмового комплекта спецназа, состоящего, помимо щита, еще и из фартука, прикрывающего ноги, составляет примерно 50 кг. Масса защитного комплекта сапера – около 60 кг.

Подобных примеров можно привести множество. Отдельно стоит отметить тяжелые работы, выполняемые солдатами с боеприпасами как на складах, так и при подготовке боевой техники к эксплуатации. В настоящее время команда разработчиков ведет переговоры с различными потенциальными заказчиками на предмет решения конкретных задач, связанных с применением экзоскелета в российской армии.

Помимо военного применения разработчики планируют подготовить несколько моделей для гражданского использования.

Пассивный экзоскелет уже сейчас востребован во множестве направлений производственно-технической деятельности, поскольку разрешенные нормативами массы грузов при перемещениях очень низкие: для женщин – до 10 кг, для мужчин – до 25 кг. С использованием пассивного экзоскелета эффективность работ с грузами возрастает в разы.

В частности пассивный экзоскелет актуален:

• для работ при чрезвычайных ситуациях, при разборах завалов, на шахтах и различных производствах;
• при монтаже бытровозводимых конструкций;
• для снижения нагрузок при переноске, например актуально для медицинских работников при переноске больных в скорую помощь;
• для использования в комплекте с различным оборудованием: с бензопилами, емкостями для тушения лесных пожаров, при дезинфекции, дератизации, противорадиационной и инфекционной обработки, при обработке антиобледенительными реагентами в сложных полевых условиях, с газосварочным оборудованием и пр.

В заключение хочется сказать о том, что в области разработки экзоскелетов у России существует серьезное отставание – все ведущие иностранные проекты развиваются уже более 10 лет и ими пройден серьезный путь. Драйвером развития этих проектов является финансирование со стороны оборонного ведомства США, но результаты этих разработок уже начинают активно использоваться в гражданских областях, в частности, в медицине.

К счастью, период безвременья для российской науки подходит к концу, наше государство проявляет интерес и осуществляет финансовую поддержку для перспективных инновационных проектов, в частности, экзоскелетов. И поскольку в России еще остались разработчики, обладающие необходимым уровнем знаний и технической оснащенности, необходимо попытаться ликвидировать отставание в области разработок экзоскелетов. Команда проекта ExoAtlet сделает для этого все возможное.

Материалы по теме:

• http://www.nanonewsnet.ru/…term/692/all