На протяжении всей нашей истории человеку всегда не хватало силы, чтобы поднимать тяжелые предметы, обладать большей силой удара и выносливостью. Но благодаря науке и технике люди всё же смогли увеличить свои силовые возможности. Так появились экзоскелеты – специальные костюмы, увеличивающие силу человека с помощью внешнего каркаса. Они легкие и способны механически повторять все движения человека. Поскольку основные силы костюм берет на себя, человек сохраняет больше энергии и свое здоровье. Также экзоскелет очень полезен в медицине: с его помощью инвалиды могут ходить, а парализованные смогут двигать своими конечностями силой мысли. Экзоскелеты – универсальные устройства, поэтому их можно применять в любых отраслях жизни человека, где необходима дополнительная сила. Экзоскелеты все ещё развиваются, требуют усовершенствования в лабораториях и стоят очень дорого.
История развития экзоскелетов
Первым изобретателем экзоскелета является российский инженер Николай Ягн, который жил и работал в США, и в 1890-ых запатентовал ряд технологий, которые облегчали ходьбу, бег и прыжки человека. Ягн планировал направить свои разработки в помощь военным. В 60х годах компания General Electric представила миру разработку костюма Hardiman. Это устройство представляло собой модель современного экзоскелета, который мог поднимать объекты весом до 110 кг, работать на воде, суше и даже в космосе. Но при всех этих высоких стремлениях разработка так и не увенчалась успехом из-за слишком тяжелой конструкции и медленной работы. В 1970-ых годах югославский ученый Миомир Вукобратович создал экзоскелет, который должен был помочь парализованным людям снова встать на ноги. Российские и европейские ученые в последствии брали за основу проект Вукобратовича при создании своих технологий. Так в начале 80х годов появился экзоскелет для инвалидов из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова. Нехватка энергоносителей, медленное течение научно-технического прогресса, развитие материаловедения и прочих смежных наук значительно тормозило развитие экзоскелетов. И только в 2000х появились реальные достижения в этой области. Ученые из американского агентства научно-военных исследований DARPA в 2007 году создали проект Lady Warrior. Это устройство представляло собой небронированный и невооруженный полный экзоскелет, который должен был только усиливать руки и ноги человека. Позже в 2008 г компания Cyberdyne представила миру роботизированный костюм HAL, который отличался значительными совершенствованиями, в частности легким корпусом, встроенным компьютером и работой от автономных аккумуляторов, заряда которых хватало на пару часов непрерывной работы. Основное предназначение экзоскелета – помощь инвалидам и парализованным людям.
В наше время развитие экзоскелетов всё больше и больше набирает обороты, и такие компании, как Panasonic, Ekso Bionics, Lockheed Martin, DARPA и другие представляют ежегодно свои устройства на выставках, впечатляя всё большей производительностью и технологичными новшествами.
Области применения экзоскелетов
Основными сферами применения экзоскелетов - военная и медицинская. Но эти устройства полезны также в таких сферах деятельности, как места с радиационной опасностью, или же при покорении океанских глубин, а также при разборе завалов после землетрясения и в строительстве.
Настоящее и будущее экзоскелетов
Как и все роботизированные устройства, экзоскелеты на пути к своему совершенству сталкиваются со многими проблемами. Традиционный экзоскелет на состоит из источника питания, механического скелета и программного обеспечения. И если с двумя последними пунктами всё ясно, то первый представляет срьёзную проблему. Любой из современных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше устройство работает либо от провода, либо от солнечной батареи. Есть экзоскелеты, работающие на неперезаряжаемых батареях, которые часто приходится менять. В связи с этим разработчики пытаются найти подходящий источник питания для экзоскелетов в виде мощного аккумулятора или беспроводной передачи энергии. В будущем этот процесс может осуществляться из большого реактора, в том числе и ядерного. Остается только изобрести способ этой передачи. Когда речь заходит о каркасе, то большинство экзоскелетов созданы из алюминия и стали. Но это слишком тяжёлые материалы, которые в значительной мере снижают эффективность костюма. Обеспечить легкость и высокую производительность экзоскелета могут более легкие и прочные материалы, такие как титан или углеродное волокно. На сегодняшний день это очень дорогостоящие материалы. Следующей проблемой экзоскелетов являются приводы. Обычно в конструкции робокостюма используются гидравлические цилиндры. Они достаточно мощные и могут работать с высокой точностью. Но эти цилиндры очень тяжёлые и требуют наличия шлангов и трубок. Решением данной проблемы могут стать пневматические приводы, а также сервоприводы на электронной основе. Эти механизмы будут работать от магнитов, потребляя минимум энергии. Огромную сложность при создании экзоскелета представляет управление и регулировка движений пользователя. Обычно датчики считывают движения тела человека, и механизм синхронно реагирует на них. Но этого недостаточно. Любое случайное движение может нарушить синхронизацию в управлении, и костюм просто может покалечить пользователя. Поэтому компоненты управления должны заранее обнаруживать случайные движения пользователя вроде чиха или кашля, чтобы не было сбоя в системе.
Все больше ученые работают над интерфейсом мозг-машина, позволяющим управлять экзоскелетом силой мысли. Яркий пример тому – недавно разработанный интерфейс мозг-компьютер из Корейского университета и Технического университета Берлина. Интерфейс взаимодействует с экзоскелетом через специальную шапку на голове пользователя, записывающую ЭЭГ. Так, сигналы мозга считываются и определяют необходимый режим движения. Такая методика позволяет управлять экзоскелетом даже тем пациентам, которые лишены добровольного контроля за своим телом. Ученым остается только доработать технологию, чтобы внедрить её в жизнь.
Заключение
Экзоскелеты - настоящее чудо техники, превращающее в реальность вещи, которые ранее были невозможны. Любые задачи в промышленности, строительстве и даже космосе могут быть решены за счет этих технологий. Но на пути к массовому внедрению в нашу жизнь экзоскелеты должны преодолеть ряд проблем, в том числе и высокую стоимость. В будущем эти устройства будут более доступными для обычных людей и станут привычным явлением, как компьютеры и мобильные телефоны, обеспечивая нам жизнь на новом технологическом уровне.