Сильнее, выше, быстрее. Топ-10 экзоскелетов
Со временем слова обретают новое основное значение, а то, которое появилось первым, постепенно отходит на второй план. Экзоскелет — это, прежде всего, внешний тип скелета у некоторых беспозвоночных животных. Однако сейчас в голове у людей это слово вызывает скорее образ не краба, а персонажа из какого-нибудь фантастического фильма.
Первый аналог экзоскелета как механизма был предложен русским изобретателем Николасом Ягиным (в документе он упоминается как «подданный Российской империи Николас Ягн») еще в 1890 году. По крайней мере, именно тогда он получил соответствующий патент на «аппарат для облегчения ходьбы». Устройство позволяло быстрее бегать, выше прыгать и меньше уставать. В «экзоскелете» Ягина не было активных усилителей, а для увеличения тяги применялся газ. Кстати, его современным аналогом можно назвать так называемые «джамперы».
Спустя примерно 70 лет появился первый экзоскелет в его нынешнем понимании. Конструкцию разработали совместными усилиями компания General Electric и американские военные. Модель Hardiman не отличалась изящным внешним видом: это был массивный и тяжелый механизм, способный поднимать огромный вес. Технические сложности не позволили развить проект, который был закрыт еще до испытаний с участием человека: отдельные компоненты работали, а вот в виде собранного экзоскелета он представлял угрозу для испытателя.
Идея создания подобных устройств продолжала будоражить умы ученых и инженеров, но долгое время ничего путного и практичного они выпустить не могли. Наиболее интересные экземпляры до последнего времени можно было наблюдать лишь в фантастических фильмах. В первую часть нашего топа экзоскелетов и экзокостюмов включены именно они.
Фантастика, да и только
1. Caterpillar P-5000 Power Loader из фильма «Чужие» 1986 года. Он задумывался как механизм с четырьмя конечностями, однако после выхода картины «Звездные войны: Эпизод 5 — Империя наносит ответный удар» Джеймс Кэмерон посчитал его слишком похожим на шагающих AT-AT. В итоге появился двуногий экзоскелет, ставший прообразом для AMP (Mitsubishi MK-6 Amplified Mobility Platform) из «Аватара» 2009 года.
P-5000 — эдакий работяга, способный увеличивать силу человека в тысячи раз и поднимать груз до четырех тонн. В качестве источника питания применялась водородная батарея, имелось три двигателя для приведения в действие подъемника и нижних конечностей. Даже сегодня такой механизм, придуманный десятилетия назад, в случае его появления стал бы отличным помощником человеку на предприятиях. Да и конструкция его, как и возможности, не выглядит столь уж фантастической.
Кстати, помимо P-5000, в «Чужих» (во всей франшизе) есть еще один пример экзоскелета — это, собственно, сами ксеноморфы на некоторых стадиях своей жизни.
2. Armored Personnel Unit (APU) из культовой трилогии «Матрица». Устройства впервые встречаются в фильме «Матрица: Перезагрузка», в действии же их можно наблюдать в «Революции»: обе картины вышли в 2003 году весной и осенью соответственно. Согласно истории вымышленного мира, всего было выпущено 120 тыс. таких монстров, из которых в активном состоянии осталось чуть более трех сотен.
В отличие от P-5000, APU являлись боевыми единицами с двумя 30-мм скорострельными пулеметами — по одному на каждой верхней конечности. К слабым сторонам механизмов можно отнести отсутствие защищенного кокпита и необходимость перезаряжать орудия вручную с участием людей. В первом случае решение продиктовано желанием дизайнеров показать персонажей фильма, а не скрывать их за стеклом и металлом. Хотя и сами механизмы не отличались крепостью, так как должны были обладать высокой маневренностью. В нашем топе они оказались благодаря зрелищным кадрам с их участием во время битвы за Сион (Зион).
3. Серия костюмов Mark, разработку которых ведет компания Тони Старка Stark Industries, занимающая 16-е место среди 25 крупнейших вымышленных корпораций мира. Кстати, первое место в этом рейтинге принадлежит CHOAM из вселенной Dune, 20-е — Cyberdyne Systems Corp., печально известной созданием терминаторов.
Выбирать отдельную модель Железного Человека среди десятков видится делом неблагодарным, поэтому за общую плодовитость Stark Industries и разнообразие отдадим это место именно Mark’ам. Особенной популярностью, правда, пользуются те, которые фигурировали в кинофраншизе: красный с золотом костюм примелькался и знаком почти каждому. Многофункциональное устройство не только значительно усиливает возможности человека, но и позволяет ему летать.
В качестве источника питания в нем применяются ядерный реактор и репульсоры, которые также встречаются в «Звездных войнах». Это наиболее фантастический экзоскелет из представленных в нашем рейтинге. Применяемые в нем технологии далеки от воплощения в реальности, и ожидать появления аналогов в обозримом будущем не приходится.
4. В отличие от костюмов Mark от Stark Industries, экзоскелет персонажа Мэтта Дэймона по имени Макс из фантастического фильма «Элизиум: Рай не на Земле» является, вероятно, претендентом на создание «всамделишной» модели. Правда, имеются некоторые нюансы: он подключается непосредственно к организму носителя (в том числе к мозгу), превращая человека в подобие киборга. В остальном это отличный образчик того, как с помощью технологий можно избавить людей от недугов и сделать их сильнее и быстрее.
По словам экспертов, костюм Макса работает по примерно тем же принципам, что и существующие уже сегодня модели и прототипы. Конечно, он легче, имеет больше степеней свободы, в его случае не стоит проблема с источником питания. Основная преграда — создание эффективного и безопасного интерфейса «человек — компьютер», когда они оба становятся единым целым. Когда-нибудь это станет реальностью.
5. Combat Jacket из фантастического боевика «Грань будущего» с Томом Крузом в главной роли. Экзоскелет не имеет какого-либо «торгового» названия и представляет собой одну из модификаций стандартной амуниции для солдат будущего. В качестве боевого снаряжения используются как вполне реальные «стволы» — FN SCAR-H (Mk 17) с гранатометом FN EGLM (Mk 13), так и несуществующие (плечевая автопушка и 16-зарядная ракетница).
Если придираться, то в настоящем бою костюм майора Уильяма Кейджа окажется не столь эффективным, как хотелось бы. Он может применяться разве что в схватке с легковооруженным противником: броня отсутствует и первая шальная пуля станет последней. Впрочем, далеко не все участвующие сегодня в боевых операциях армии используют бронежилеты или иные средства индивидуальной защиты для своих солдат.
Экзоскелет Combat Jacket является примером того, что может появиться у некоторых армий в самом ближайшем будущем. Кстати, модели, которые носят Том Круз и Эмили Блант, собраны из множества элементов и не являются полной бутафорией. По словам модельера, который собирал экзокостюмы для съемок, каждый из них состоит из 350—400 деталей.
Не заглядывая в будущее
Далее следуют пять образцов уже существующих экзоскелетов, которые проходят испытания или используются военными, гражданскими организациями либо медицинскими учреждениями. Некоторые конструктивные особенности этих устройств позаимствованы из научно-фантастической литературы и кино: не секрет, что многие из существующих ныне гаджетов в прошлом были не более чем образами в головах изобретателей, писателей и мечтателей.
1. Первое место мы отдаем тому экзоскелету, необходимость в котором действительно очевидна. Система ReWalk имеет уже шестую версию и является коммерческим продуктом. Цена на него может показаться недостижимой для многих: один экземпляр обойдется примерно в $85 тыс. Первоначально было выпущено две модели устройства: одна применялась медицинскими учреждениями для исследований и терапии под присмотром врачей, вторая предназначалась для персонального применения.
Экзоскелет ReWalk помогает пациентам, которые по тем или иным причинам не способны передвигаться самостоятельно. Система состоит из «рюкзака» весом в 2,3 кг, в котором размещаются батарея и Windows-компьютер, и «ног» общим весом в 21 кг. Емкости батареи достаточно для трех часов беспрерывной ходьбы, заряжается она около восьми часов.
Устройство, которое изготавливается по индивидуальному заказу, работает в трех режимах: оно поддерживает человека при ходьбе, сидении и стоянии. Некоторые пользователи жалуются на чрезмерный вес системы и ее высокую стоимость (в США страховка не покрывает затраты на покупку экзоскелета).
Аналогом ReWalk является проект Indego, который пока не доступен для покупателей и используется в исследовательских целях и медицинскими учреждениями. Его продажи могут начаться в 2015 году. Имеются и другие проекты, ориентированные на реабилитацию людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата.
2. Экзоскелет Rex можно отнести к категории «Очевидное — невероятное». Он не только дает силу не способным сокращаться мышцам, но и управляется с помощью мыслей. Первым полностью парализованным человеком, подключенным к системе искусственной вентиляции легких, стал 21-летний Роб Кэмм, попавший в 2013 году в автомобильную аварию. Бывший спортсмен не сдался и продолжил вести активную жизнь (в соответствии со своими возможностями). В итоге ему удалось сделать несколько почти самостоятельных шагов.
Для приведения экзоскелета в движение используется специальный шлем с 79 электродами, которые снимают показания мозговой активности и трансформируют их в команды для машины. Очевидно, что первые шаги даются Робу с огромным трудом, однако предоставленная молодому человеку возможность приводит его в восторг.
Всего выпущено 17 таких механизмов. Они доступны только в медицинских учреждениях.
3. Human Universal Load Carrier (HULC) разрабатывается компанией Ekso Bionics (которая также занимается выпуском систем для применения в медицинских целях). Устройство ориентировано на военных и в перспективе позволит человеку переносить груз весом около 90 кг на скорости до 16 км/ч (это чуть ниже средних показателей бега) на расстояние примерно 20 км. При подъеме и переноске тяжестей всю нагрузку на себя берет экзоскелет, в противном случае появилась бы опасность травмирования оператора.
Для определения движений оператора применяется набор сенсоров, а встроенный компьютер в режиме реального времени обрабатывает полученные данные и дает команды приводам. Стоимость такой системы не уточняется, однако гражданская версия экзоскелета Ekso Bionics обойдется в $100—150 тыс. По словам директора предприятия, в будущем цена может снизиться. Аналитики же оценивают рынок экзоскелетов в $400 млн к 2020 году.
4. Raytheon XOS 2 является конкурентом и аналогом HULC. По каким-то причинам информации о нем не так много. Активно об устройстве писали примерно пять лет назад, а в начале 2015 года появились данные о том, что Raytheon продала технологию и наработки американскому стартапу Sarcos. Последняя назвала себя лидером в робототехнике, разместив на сайте видео с демонстрацией возможностей XOS. Вероятно, Sarcos не станет концентрировать свою деятельность на военных задачах, а отдаст предпочтение гражданскому сегменту.
Модель XOS 2 представляет собой один из наиболее мощных экзоскелетов (оператор способен поднять груз в 90 кг несколько сот раз практически не утомляясь), однако это вылилось в его ключевой недостаток — необходимость проводного подключения к источнику питания. С помощью костюма можно не только поднимать действительно тяжелый груз, но и переносить его. Правда, недалеко — кабель-то короткий.
5. Самым доступным среди упоминаемых устройств оказался проект, представленный группой инженеров в конце 2014 года. Он не предназначен для медицинских целей или применения военными, а скорее понравится пешим туристам. К сожалению, эффективность механизма не так высока, как можно было бы ожидать (затраты энергии на передвижение снижаются всего на 7%), однако идея достойна внимания.
Это полностью механическая конструкция, которая задействует пружину, чтобы снизить нагрузку на икроножные мышцы и ахилловы сухожилия. Используя устройство, человек затрачивает меньше энергии на передвижение и, как следствие, может пройти больше.
В ролике можно заметить провода, которые подключены к сенсорам для сбора необходимой инженерам информации.
* * *
Существующие модели экзоскелетов, экзокостюмов и иных вспомогательных устройств подобного плана указывают на то, что технологии все еще требуют доработки. Эксперты уверены: в последнее время активности в данном направлении стало больше и деньги выделяются не только на проекты военных. Экзоскелеты не станут доступны всем желающим в ближайшем будущем, но и медицинское обслуживание в свое время мог себе позволить далеко не каждый.
Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. nak@onliner.by
