Усилитель для бойца: к чему пришли разработки экзоскелета

Жизнь сплошь и рядом создает ситуации, когда человеку нужно гораздо больше сил, чем у него есть. Один из самых показательных примеров — боевые действия. Современному солдату приходится, помимо вооружения и боеприпасов, таскать на себе гору необходимого снаряжения. И после того как марш-бросок в полной выкладке позади, нужно найти еще силы для собственно боя. Только вот откуда они возьмутся?

Еще один пример — работа спасателя, например, в зоне разрушений и завалов после землетрясения. Здесь, чтобы спасти жизнь пострадавшему, иногда нужно приподнять бетонную глыбу. Но подъемный кран или бульдозер часто не может пробраться через завалы, а сил даже нескольких крепких мужчин не хватит на то, чтобы справиться с многотонной глыбой, да еще заклинившей в руинах.

Не стоит забывать о людях, которые из-за травм или болезней лишены возможности управлять руками и ногами. Специалисты из разных областей уже десятки лет бьются над вопросом, как сделать их жизнь максимально приближенной к полноценной.

Конечно, солдаты тратят немало времени на физическую подготовку, спасателей снабжают довольно изощренными приспособлениями, а ради инвалидов изменяют конструкцию зданий и транспортных средств. Однако потребность в устройствах, расширяющих физические возможности человека в экстремальных ситуациях (а если конкретнее — силу и скорость передвижения), заставляет конструкторов снова и снова возвращаться к идее так называемого экзоскелета. В том, что это такое и по какому принципу действует, мы и попытались разобраться.

КОЕ-ЧТО ИЗ НАУЧНОЙ ФАНТАСТИКИ

Авторам, работающим в жанре научной фантастики, приходится сложнее, чем их коллегам, возделывающим ниву фэнтези. У последних любую задачку, возникающую перед персонажем, можно решить применением чудо-колец, волшебных палочек или, на худой конец, избушек на курьих ножках. В научной фантастике все сложнее. Можно опираться только на разум и руки человека. Но именно в этом жанре появились первые экзоскелеты. В книге писателя Ивана Ефремова «Туманность Андромеды» (1957 г.) герои оказываются на планете с гравитацией, превышающей земную в несколько раз. «В шлюзовой каюте были приготовлены «прыгающие скелеты» — стальные, обшитые кожей каркасы с электродвигателем, пружинами и амортизаторами для индивидуального передвижения при увеличенной силе тяжести, которые надевались поверх скафандров», — повествует фантаст об устройстве, используемом исключительно в мирных целях. Несколькими годами позже подобную идею выдвигает американец Роберт Хайнлайн. У него, как и положено певцу империализма, экзоскелет пользует космическая военщина: «Скафандр дарит пехотинцу острое зрение и слух, крепкую спину, чтобы нести тяжелое вооружение и броню, быстрые ноги…». Наконец, в 1986 г. вышел фильм «Чужие» Джеймса Кэмерона. В нем жительница Земли, усевшись в выдуманный погрузчик-экзоскелет, одолевает мерзкого монстра. С того времени чудо-каркасы уверенно обосновались в кино и компьютерных играх.

Прообраз. Космопехотинец.

ПЕРВАЯ ПОПЫТКА

В 60-е годы XX века по заказу оборонного ведомства США была создана конструкция, получившая название Hardiman. Весила штуковина добрых 700 кг и позволяла поднять груз массой 350 кг. Генералы планировали, что Hardiman пригодится для обслуживания тяжелых авиабомб на складах и авианосцах. Однако проблем оказалось больше, чем достижений. Чудище полностью зависело от периферийных устройств, по размерам превосходивших сам экзоскелет. Механические ноги упорно не желали ходить так, как хотелось оператору. Даже по ровной поверхности. Из-за огромной массы и неправильной центровки конструкции при подъеме «лапой» полезного груза конструкция вибрировала, нередко опрокидывалась. Разработчики с грустной иронией назвали такое поведение «механической пляской святого Витта». Укротить ее так и не удалось — через 10 лет проект закрыли. Впрочем, воспоминания о нем остались: экзоскелет-погрузчик в фильме «Чужие» подозрительно смахивает на архаичный Hardiman.

У истоков. Hardiman оказался неуклюж.

ОПРЕДЕЛИМСЯ С ТЕРМИНАМИ

БИОЛОГИЯ. В биологии (из этой науки термин и пошел), когда говорят об экзоскелете, подразумевают твердую наружную оболочку, в которую упрятано тело животного. Она защищает и поддерживает тело живого существа, служит ему опорой. Также она — механический барьер, первый рубеж в сложной системе защиты организма от инфекций. Экзоскелет встречается у беспозвоночных: раковины у многих моллюсков, хитиновый панцирь у членистоногих и некоторых простейших.

Скорпион. Втиснут природой в экзоскелет миллионы лет назад.

ТЕХНИКА. В современной технике экзоскелетом принято называть не просто облачение, защищающее человека от внешних воздействий (древние доспехи и кольчуги и современные скафандры, бронежилеты). Речь идет о сложных устройствах, напоминающих каркас, которые поддерживают тело и умножают силу мышц. Основная его задача — усилить возможности человека, данные ему от природы.

На пути создания чудо-устройств есть три важнейших преграды. Первая — источник энергии. Чем мощнее механизм, тем больше этой самой энергии нужно. Пока что это означает необходимость таскать на себе тяжеленный аккумулятор, который, к тому же, требует регулярной подзарядки от мощного источника тока. Так что о настоящей автономности говорить не приходится.

Вторая проблема — двигатели, увеличивающие силу мыщц. Чем они мощнее, тем тяжелее и прожорливее машина. Сочетание увесистых моторов и батарей заметно уменьшает нагрузку, с которой может работать устройство.

Наконец третья задача — управление. Работа экзоскелета в идеале предполагает управление им посредством нервных импульсов, передаваемых от человека непосредственно в машину. Именно этим вся затея отличается от того, чтобы просто усадить обученного водителя за рычаги танка или погрузчика. Экзоскелет должен стать продолжением тела для человека. Увы, пока механика по скорости срабатывания не сравнится с быстротой прохождения импульса от мозга человека к мышцам и их реакцией. И пока еще не удалось успешно «закоротить напрямую» нервную систему и компьютеры, управляющие механикой. Большинство ныне действующих машинно-мозговых интерфейсов выглядят как вариации на тему резиновой шапочки с электродами и пучка проводов, подключенных к компьютеру. Подобные системы уже в состоянии помочь людям, страдающим различными недугами, но еще бесполезны для использования в бою.

Тугодум. Манипуляторы пока не поспевают за руками человека.

СУПЕРНОСИЛЬЩИК НА ПРИВЯЗИ

Уже в XXI веке генералы снова вернулись к идее экзоскелета, разработанного специально для военных нужд. В США первая модель нового поколения появилась в 2008 г., а в последние годы создана улучшенная ее версия XOS2. Весит она всего 88,5 кг, оснащена системой связи человека с механикой, благодаря которой движения оператора и экзоскелета почти синхронны. И оператор ощущает на своих плечах груз не больше, чем от обычного пиджака. Если верить официальной информации, в XOS2 можно даже играть в мяч, а при перемещении груза один оператор XOS2 заменяет трех грузчиков. По задумке конструкторов, использование этих машин ускорит и облегчит погрузку и разгрузку материалов, топлива и боеприпасов в тылу. На испытаниях инженер-оператор много раз ставил и снимал со стеллажа артиллерийские снаряды весом по 95 кг, ощущая реальный вес приблизительно в 5,5 кг. Существенный недостаток XOS2 — источник питания располагается вне экзоскелета и соединяется с ним кабелем. На поле боя, конечно, такой «поводок» недопустим, но в складских помещениях, где розетка рядом, почему бы и нет?

Все получилось. XOS2 хорошо проявил себя на испытаниях.

БОГАТЫРЬ ИЗ СТРАНЫ САКЕ И САКУРЫ

В 2013-м в Японии представили то ли робота, то ли экзоскелет Power Loader. Предполагалось, что, окружив оператора частями и деталями робота, удастся оградить человека от внешних воздействий. Первые модели Power Loader имели немало общего с их дальним предком Hardiman. Как минимум, много весили — целых 230 кг. С помощью робота Power Loader человек поднимал груз весом до 100 кг (правда, для этого включались 18 электродвигателей!). Управление сконструировано так, чтобы с ним можно было справиться почти интуитивно. Так что экзоскелет попытались использовать во время ликвидации последствий на АЭС в Фукусиме. Но опыт, как говорится, не удался: конструкторам пришлось отказаться от громоздкой машины в пользу более компактного устройства.

Тупиковая модель. Гигант оказался неудобен в эксплуатации.