Экзоскелеты и «умная» экипировка

Современный солдат вынужден нести на себе все большее количество оружия, систем защиты, разведки местности и слежения за врагом. Вместе с этим растет количество вычислительных систем, которые информируют солдата о складывающейся боевой обстановке в режиме реального времени.

К сожалению, взять с собой все необходимое оборудование и снаряжение солдат не может просто физически. Ведь помимо того, что вес обмундирования ограничивается его физическими возможностями, солдату еще необходимо вести активные боевые действия, легко и быстро перемещаться на поле боя. Для того чтобы помочь солдату на поле боя в США решили разработать уникальный экзоскелет или «умный» комбинезон, который помог бы решить вопрос с переноской тяжестей.

В настоящее время очередной «умный» комбинезон создается учеными из Гарвардского университета, предполагается, что он сможет помочь солдатам преодолевать большие расстояния, перенося при этом на себе достаточно тяжелый груз. Работой над созданием комбинезона занимается Институт бионики Виса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering), входящий в структуру Гарварда. В настоящее время институт получил контракт от DARPA – Управления перспективных исследовательских программ Пентагона. Сумма перечисленных по контракту средств составляет 2,6 млн. долларов.

Согласно обнародованной информации, новый комбинезон производится из эластичных и мягких материалов. Для того чтобы помочь бойцам передвигаться, уменьшая нагрузку на их мышечную систему, будут использованы новые эластичные датчики, которые помогут определять биомеханику движения тела. Применение данных датчиков позволит отказаться от объемных и твердых компонентов, которые можно встретить в других системах подобного рода и экзоскелетах, которые очень часто существенно сковывают движения солдата.

Помимо систем, обладающих моментальной реакцией и оказывающих помощь бойцу во время движения, в составе комбинезона будут использованы системы поддержания баланса, которые будут производить низкочастотные колебания, совпадающие с перемещения центра тяжести человека в процессе его движения. В то же время разрабатываемый DARPA проект может найти широкое применение и в гражданской сфере. К примеру, данная «умная» одежда сможет существенно увеличить силу и выносливость пожилых людей, которые в силу своего возраста уже ограничивают себя в движениях и перемещениях. Также с уверенностью можно сказать, что данные технологии найдут применение и среди людей, страдающих нарушениями функций опорно-двигательного аппарата.

Экзоскелет XOS 2

Данный костюм позволяет его владельцу переносить на себе или в руках десятки килограммов различных грузов без видимых усилий. В настоящее время американская компания Raytheon работает над улучшением второй модели своего экзоскелета XOS 2. На данный момент оператор в таком костюме при погрузке и переноске тяжестей способен заменить 3-х солдат. При этом, в отличие от ряда других разработок, XOS 2 способен достаточно стремительно отрабатывать движения своего оператора, так что находящийся внутри экзоскелета человек не чувствует себя зажатым внутри весьма сильной, но при этом неторопливой и тугодумной железяки. Точность откликов экзоскелета позволяет его оператору даже играть с футбольным мячом.

Новый экзоскелет в отличие от XOS-1 обладает повышенной грузоподъемностью, а также имеет повышенное отношение поднимаемого веса к воспринимаемому человеком. Так если у XOS-1 данное соотношение равнялось 6 к 1, то у XOS-2 составляет уже 17 к 1. Несмотря на то, что сам экзоскелет весит практически 90 кг (что на 10% меньше, чем у предыдущей модели), для человека-оператора его вес не превышает веса обычного пиджака. При этом новая разработка использует меньше энергии – на 50% и более устойчива к негативному воздействию окружающей среды.

Во время показательной демонстрации его работы, инженер-испытатель Рекс Джеймсон несколько раз ставил и снимал со специальной подставки крупнокалиберные артиллерийские снаряды массой в 95 кг, ощущая при этом реальный вес где-то на уровне 5,5 кг. Все это позволяет выполнять тяжелую физическую работу, тратя на это минимум физических усилий. Так же Рекс Джеймсон во время демонстрации возможностей костюма без проблем пробивал кулаком пакет из 4-х трехсантиметровых досок. Повторить такой трюк не под силу даже самым тренированным мастерам восточных единоборств.

По замыслу специалистов компании Raytheon, солдаты, одетые в такие экзоскелеты, могут существенно ускорить разгрузку или погрузку боеприпасов, топлива, воды как в тылу, так и на театре боевых действий. Возможность в одиночку без помощи товарищей перенести танковый снаряд или авиационную ракету означает, что большее количество людей можно задействовать для решения других задач. Первый же экзоскелет XOS доказал всем, в том числе и создателям, что данная идея работоспособна. Учтя полученный опыт, компания Raytheon бросила все силы на оптимизацию его конструкции, начиная с системы датчиков и каркаса и заканчивая всем силовым приводом. В результате этого в своей второй разработке им удалось повысить энергетическую эффективность экзоскелета.

Конечности данного костюма приводит в действие гидравлика высокого давления, но источник питания при этом по-прежнему находится вне самого костюма. Так что пока что реальный Железный человек все еще привязан к стационарному оборудованию длинными шлангами и кабелями. Впрочем, и в таком виде данный костюм может быть достаточно полезен, а в ближайшем будущем инженеры собираются полностью «отвязать» свой экзоскелет от отдельного источника питания.

По словам Фрейзера Смита, вице-президента Raytheon, развертывание экзоскелетов неизбежно. Этот продукт крайне необходим, и я смотрю на них как на вполне жизнеспособное решение ряда текущих вопросов. Создатели данного костюма говорят о том, что большая физическая нагрузка на военнослужащих во время разнообразных складских и транспортных операциях является негативным моментом, который не только снижает скорость выполнения работ, но и является лишним фактором риска и источником травм. Предложенный экзоскелет может избавить от всех этих проблем. В будущем инженеры американской компании на исключают появления бронированной и упрочненной версии своего детища, которая будет предназначаться для разбивания дверей и стен в операциях по спасению заложников.

Экзоскелет HULC

В свое время компанией Lockheed Martin был создан универсальный экзоскелет, получивший название HULC (Human Universal Load Carrier). Его назначением является облегчение передвижения бойцов, которые действуют в отрыве от своих основных сил. В таких условиях современные солдаты иногда вынуждены переносить на себе более 60 кг. различных грузов, включая боеприпасы, продовольствие, электронику и большое количество аккумуляторных батарей, которые предназначены для энергоснабжения различной электронной техники. Первоначальный вариант экзоскелета HULC питался от литий-полимерных аккумуляторных батарей, которые приводили в действие не только электрогидравлическую систему костюма, но и другую электронику военного назначения.

Данный экзоскелет в недалеком будущем вполне можно будет встретить на поле боевых действий. Его основой являются 2-е «ноги», которые выполнены из легкого, но в то же время прочного титанового сплава. Роль «мышц» в данном экзоскелете выполняет гидравлическая система, а в качестве источника энергии используются литий-ионные аккумуляторы. Возможности данного экзоскелета действительно уникальны и способны впечатлить любого – общий поднимаемый с его помощью вес может достигать 140 кг. Единственное условие заключается в том, что необходимо правильно распределить нагрузку на аппарат. К примеру, на заднюю раму «Халка» можно навесить груз массой до 100 кг., а дополнительную нагрузку можно разместить на плечах костюма.

Одним из важнейших параметров экзоскелета является продолжительность его автономной работы. И здесь компании Lockheed Martin удалось выйти на достаточно высокий уровень. Заряда аккумуляторов достаточно, для того чтобы в течение 5 часов двигаться со скоростью 4 км/ч. Таким образом, экзоскелет позволяет совершить марш-бросок в полной выкладке на расстояние до 20 км. При этом сегодня данный аппарат находится в стадии совершенствования. Основное направление работ связано с улучшением работы костюма в экстремальных условиях.

По словам представителей компании Lockheed Martin, разработкой нового источника питания для роботизированного экзоскелета HULC займется компания Protonex Technology Corporation. Перед этой фирмой стоит задача по обеспечению автономной работы устройства, предназначенного для нужд военных, на протяжении 72 часов. Для того чтобы реализовать столь большую продолжительность работы, было решено обратиться к технологии топливных ячеек. Предполагается, что вся система питания будет находиться на самом экзоскелете и сможет обслуживать и другие электронные устройства бойца. Разработке данных источников питания уделяется большое внимание, так как существующее решение с литий-ионными аккумуляторами является явно недостаточным для проведения длительных боевых операций вне города и доступных электросетей.

Стоит отметить, что у компании Protonex имеется большой опыт в создании компактных и лёгких систем топливных ячеек, которые используются в качестве мобильных батарей мощностью в 100-1000 Вт. Продукты компании востребованы на коммерческом и потребительском рынке, а также в военном секторе. Именно такое решение в виде топливных ячеек необходимо для автономного антропоморфического механизма с электрогидравлическим приводом, которым и является «Халк». Микрокомпьютер экзоскелета регистрирует движения своего оператора и затем соответствующим образом управляет различными частями устройства, гибкость которого позволяет ползти, приседать и переносить грузы с минимальной затратой человеческих сил.