Экзоскелетом называется внешний каркас, который позволяет человеку совершать поистине фантастические действия: поднимать тяжести, летать, бегать с огромной скоростью, совершать гигантские прыжки и т.д. И если вы думаете, что такими устройствами обладают только главные герои "Железного человека" или "Аватара", то вы глубоко ошибаетесь. Они доступны человечеству еще с 60-х гг. прошлого века; более того, вы можете узнать, как собрать экзоскелет своими руками! Впрочем, обо всем по порядку.

Экзоскелет: знакомство

Сегодня вы вполне можете приобрести себе экзоскелет - подобную продукцию выпускает Ekso Bionics и Hybrid Assistive Limb (Япония), Indego (США), ReWalk (Израиль). Но только если у вас есть лишние 75-120 тысяч евро. В России же пока производятся только медицинские экзоскелеты. Их проектирует и выпускает компания "Экзоатлет".

Первый экзоскелет своими руками изготовили ученые корпораций General Electric и United States Military еще в шестидесятых годах прошлого века. Он назывался Hardiman и мог свободно поднять в воздух груз, предельно равный 110 кг. Надевший же это устройство человек в процессе испытывал нагрузку, как при поднятии 4,5 кг! Только вот сам Hardiman при этом весил все 680 кг. Оттого он и не пользовался большим спросом.

Все экзоскелеты подразделяются на три типа:

полностью роботизированные;

• для ног.

Современные робокостюмы весят от 5 до 30 и выше кг. Они бывают как активными, так и пассивными (работающими только по команде оператора). По предназначению экзоскелеты делятся на военные, медицинские, промышленные и космические. Рассмотрим самые замечательные из них.

Самые впечатляющие экзоскелеты современности

Собрать такие экзоскелеты своими руками дома в ближайшее время, конечно, не получится, однако познакомиться с ними стоит:

• DM (Dream machine) . Это полностью автоматический гидравлический экзоскелет, который управляется голосом своего оператора. Устройство весит 21 кг и способно выдерживать человека весом до центнера. Пока что используется для реабилитации пациентов, которые не могут ходить вследствие заболеваний ЦНС или иных нейромышечных болезней. Примерная стоимость - 7 млн рублей.
• Ekso GT . Миссия этого экзоскелета та же, что и у предыдущего - он помогает людям с патологиями моторных функций ног. Характеристики схожи с предыдущим, цена - 7,5 млн рублей.
• ReWalk . Призван вновь подарить движение людям с параличом нижних конечностей. Весит устройство 25 кг и способно работать без подзарядки 3 часа. Экзоскелет доступен в Европе и США в сумме, эквивалентной 3,5 млн рублей.
• REX . Сегодня это устройство можно купить и в России за 9 млн рублей. Экзоскелет дарит людям с параличом ног не только самостоятельную ходьбу, но и возможность встать/сесть, повернуться, пойти "лунной походкой", спуститься по лестнице и т.д. REX управляется джойстиком, способен функционировать без подзарядки весь день.
• HAL (Hybrid Assistive Limb) . Существует в двух вариантах - для рук и для рук/ног/торса. Данное изобретение позволяет оператору поднять вес в 5 раз тяжелее предельного для человека. Также применяется для реабилитации парализованных людей. Весит этот экзоскелет всего 12 кг, а его зарядки хватает на 1,0-1,5 ч.

Как сделать экзоскелет своими руками: Джеймс Hacksmith Хобсон

Первым и пока единственным человеком, сумевшим сконструировать экзоскелет во внелабораторных условиях, является канадский инженер Джеймс Хобсон. Изобретатель собрал устройство, которое позволяет ему свободно поднимать в воздух 78-килограммовые шлакоблоки. Работает его экзоскелет на пневмоцилиндрах, которые снабжает энергией компрессор, а управляется устройство при помощи пульта.

Канадец не держит в секрете свое изобретение. Как собрать экзоскелет своими руками по его примеру, вы можете узнать на сайте инженера и на его канале на "Ютуб". Однако учтите, что тяжесть веса, поднимаемого таким экзоскелетом, ложится исключительно на позвоночник оператора.

Экзоскелет своими руками: примерная схема

Подробной инструкции, позволяющей в легкую собрать экзоскелет дома, нет. Однако понятно, что для него будет нужен:

• каркас, отличающийся прочностью и подвижностью;
• гидравлические поршни;
• барокамеры;
• вакуумные насосы;
• источник питания;
• прочные трубки, способные выдержать высокое давление;
• компьютер для управления;
• датчики;
• софт, позволяющий отправлять и преобразовывать сведения с датчиков для нужной работы клапанов.

Как будет примерно работать эта композиция:

1. Один насос должен увеличивать давление в системе, другой - уменьшать.
2. Работа клапанов зависит от давления в барокамерах, повышение/понижение которого и будет управлять системой.
3. Расположение датчиков (против движения конечностей): шесть - руки, четыре - спина, три - ноги, два стопы (всего более 30).
4. Компьютерное обеспечение должно исключить давление на датчики.
5. Сигналы датчиков нужно подразделить на условные (информация с них полезна, если безусловный датчик не "говорит" о испытываемым им давлении) и безусловные. Условность/безусловность этих элементов может определять, например, акселерометр.
6. Руки экзоскелета - трехпалые, отделенные от запястья оператора, - чтобы исключить травмы и придать дополнительную прочность.
7. Источник питания выбирается после сборки и пробной апробации экзоскелета.

Пока что только в сфере реабилитации, уже начинают входить в нашу жизнь. Появляются изобретатели, способные соорудить такое устройство вне лаборатории. Вполне возможно, что в ближайшем будущем любой школьник сможет собрать экзоскелет Сталкера своими руками. Уже можно предсказать, что за такими системами - будущее.

Экзоскелеты помогающие парализованным ходить, делающие тяжёлаю работу лёгкой, защищающие солдат на поле боя и дающие нам суперспособности.

1. Activelink Power Loader

Получивший своё имя в честь знаменитого экзоскелета из фильма «Чужие», Activelink Power Loader разработан, для того, чтобы облегчить тяжелый ручной труд владельца вне зависимости от его возраста, пола и комплекции, и призван «создать общество без ограничений» согласно пресс релизу Activelink, дочерней компании известного японского производителя электроники Panasonic.

2. HAL

HAL (Hybrid Assistive Limb) механический экзоскелет из Японии, разработанный Cyberdine Inc . (да-да, прям как те ребята, из-за которых всё началось в Терминаторе), был создан как прототип в 1997 году, а сейчас используется в японских госпиталях, для помощи тяжелобольным в их повседневной деятельности. Также известно, что HAL использовался японскими строителями и даже спасателями во время ликвидации аварии на Фукусиме-1 в 2011.

3. Ekso Bionics

14. Проект «Walk Again»

Чемпионат мира по футболу 2014 в Бразилии открывал Жулиано Пинто, парализованный ниже пояса, ему было предоставлено право сделать первый удар по мячу Кубка мира. Это стало возможным благодаря экзоскелету, подключенного напрямую к его мозгу, разработанному Университетом Дьюка. Это событие часть проекта «Walk Again», созданного командой из 150 человек во главе с известным неврологом и ведущей фигурой в области мозго-машинных интерфейсов, доктором Мигелем Николелисом. Жулиано Пинто просто думал о том, что хочет пнуть мяч, экзоскелет фиксировал активность мозга и активировал необходимые для движения механизмы.

Помню, как посмотрев «Аватар», совершенно обалдел от показанных там экзоскелетов. С тех пор, думаю, что за этими умными железками будущее. Еще очень хочется к этой теме свои не той стороной заточенные ручонки приложить. Тем более, что если верить аналитическому агентству ABI Research, объем мирового рынка экзоскелетов к 2025 году составит $1,8 млрд. На данном этапе не будучи технарем, инженером, архитектором и программистом, нахожусь в некотором замешательстве. Думаю, как к этой теме подступиться. Буду рад, если в комментариях к статье отметятся люди, которым потенциально было бы интересно в подобных проектах поучаствовать.

Сейчас на рынке экзоскелетов работают четыре ключевые компании: американская Indego, израильская ReWalk, японские Hybrid Assistive Limb и Ekso Bionics. Средняя стоимость их продукции от 75 до 120 тыс. евро. В России люди тоже не сидят без делала. Например, компания «Экзоатлет » активно работает над медицинскими экзоскелетами.

Первый экзоскелет был совместно разработан General Electric и United States military в 60-х, и назывался Hardiman. Он мог поднимать 110 кг при усилии, применяемом при подъёме 4,5 кг. Однако он был непрактичным из-за его значительной массы в 680 кг. Проект не был успешным. Любая попытка использования полного экзоскелета заканчивалась интенсивным неконтролируемым движением, в результате чего он никогда полноценно не испытывался с человеком внутри. Дальнейшие исследования были сосредоточены на одной руке. Хотя она должна была поднимать 340 кг, её вес составлял 750 кг, что в два раза превышало подъемную мощность. Без получения вместе всех компонентов для работы практическое применение проекта Hardiman было ограничено.

REX

Возможности и технические характеристики:
1. Самостоятельная ходьба. Не требует костылей или иных средств для стабилизации, оставляя при этом руки свободными.
4. Экзоскелет для ног позволяет: встатьприсесть, повернуться, идти назад, стоять на одной ноге, идти по лестнице, ходить по различным, даже наклонным поверхностям.
5. Устройством очень легко управлять – все функции активируются при помощи джойстика.
6. Прибор можно использовать весь день, благодаря высокоемкостному съемному аккумулятору.
7. При небольшом весе REX составляющем всего 38 килограмм, он выдерживает пользователя весом до 100 килограммов и с ростом от 1,42 до 1,93 метров.
8. Удобная система фиксации не вызывает никакого дискомфорта даже, если вы носите его целый день.
9. Так же когда пользователь не двигается, а просто стоит REX не тратит заряд аккумулятора.
10. Доступ в здания без пандусов, благодаря возможности ходить по лестнице без посторонней помощи.

Разорвать воздух на скорости звука и устремиться к горизонту, вытянув руки по швам в своём железном костюме. В мгновение ока оказаться в любой точке земного шара без необходимости стоять в пробке. Летать без крыльев, не будучи на борту самолёта или чего покрепче. Пусть бросит в меня камень тот, кто не хотел оказаться на месте Тони Старка в его звёздные моменты (конечно, в костюме Железного человека). Частично эти мечты сумеет реализовать экзоскелет - устройство, который может увеличить способности человека (по большей части физические, мускульную силу) за счет внешнего каркаса. О том, что собой представляет это устройство, какие наработки уже имеются и как технологии будут развиваться в будущем, мы расскажем в этом материале.

От эластипеда до «железного человека»

Наука и технологии - это без преувеличений самая лютая гонка изобретательности человека и природы. Всю свою историю человек пытается переделать мир вокруг себя под свои нужды. Где-то это ему удаётся, часто не без вреда для природы. Где-то приходится подглядывать у неё. И если у большинства беспозвоночных в том или ином виде есть внешний скелет, у человека его нет. Но ведь и крыльев не было?

В наше время под экзоскелетом подразумевается механический костюм или его часть до 2–2,5 метра высотой. Дальше идут «мобильные костюмы», меха и другие гигантские человекоподобные роботы.

Как и многое другое в нашей жизни, экзоскелеты постепенно перешагивают границу, разделяющую смелые мечты и повседневную жизнь. Будучи изначально просто идеями, концептами, мифами и легендами научной фантастики, сегодня чуть ли не каждую неделю появляются новые варианты экзоскелетов.

Первым изобретателем экзоскелета считается русский «инженеръ-механикъ» Николай Фердинандович Ягн, который ещё в 1890-х годах зарегистрировал ряд патентов на эту тему. Он жил в Америке, где, собственно, и патентовал свои чудеса, показывал их на выставках, а по возвращении на родную землю снова изобретал. Его экзоскелет должен был облегчить ходьбу, бег и прыжки в первую очередь, солдат. Уже тогда русский гений предвидел потенциальную военную мощь подобных устройств.

НИКОЛАЙ
Фердинандович ЯГН

Кроме экзоскелета Ягн разработал охлаждающие занавески, гидромотор, качающийся винт, самовар-стерилизатор и другие устройства

Hardiman

Не будем отрицать, гигантский и необъятный вклад в развитие экзоскелетов внесли фантасты. В 1959 году после нашумевшего романа Роберта Хайнлайна «Звёздный десант» всем стало понятно, что за внешними каркасными костюмами - будущее военных действий и не только. И понеслось.

Первый экзоскелет был создан компанией General Electric при поддержке Министерства обороны США в 1960-х годах. Hardiman весил 680 килограммов и мог поднимать грузы весом до 110 килограммов. При всех гигантских амбициях - а его хотели использовать и под водой, и в космосе, и боеголовки таскать, и ядерные стержни - показал он себя не лучшим образом. О нём благополучно забыли.

отдалённо напоминающее экзоскелеты устройство «педомотор» изобретателя Лесли С. Келли, разработанное в 1917 году

Девять лет спустя Миомир Вукобратович из югославского Белграда показал первый силовой шагающий экзоскелет, задача которого была давать людям с параличом нижних конечностей возможность шагать. В основе устройства лежал пневмопривод. Советские учёные из Центрального института травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова проявили первые инициативы по разработке экзоскелетов совместно с югославскими коллегами на основе работ именно Вукобратовича. Но с началом перестройки проекты были закрыты, а о секретных подпольных разработках экзоскелетов данных нет. Зато с освоением космоса всё было хорошо.

В разное время в разных странах умельцы пытались сделать экзоскелеты самого разного назначения, но в силу самых разных препятствий (о которых мы ещё поговорим) удавалось это в край плохо. Нехватка энергоносителей, медленный рост научно-технического прогресса, развития материаловедения и прочих смежных наук, а также развитие компьютерных вычислений и кибернетики, волна которых поднялась только лет 30 назад, - всё это тормозило развитие экзоскелетов. Без всяких сомнений, это сложнейшие технологии, которые людям ещё предстоит освоить.

Проблемы экзоскелетов

На этой планете не так много материалов, из которых можно сделать жёсткий каркас и которые не усугубят дело своим весом. Во всяком случае, их было не много, но с учётом космических полётов, военных наработок, развития материаловедения, нанотехнологий и ещё десятка-другого интересных сфер человечество постепенно берёт один барьер за другим. В начале XXI века интерес к экзоскелетам разгорелся с недюжинной силой и продолжает гореть до сих пор. Но сначала поговорим об основных проблемах, с которыми сталкиваются создатели экзоскелетов.

Если разложить гипотетический экзоскелет на составляющие, у нас будут: источник питания, механический скелет и программное обеспечение. И если с двумя последними пунктами вроде бы всё ясно и проблем почти не осталось, то источник питания - это серьёзная проблема. Имея нормальный источник питания, инженеры могли бы не просто создать экзоскелет, а ещё и объединить его со скафандром и реактивным ранцем. Получился бы костюм Железного человека, наверное, но новый Тони Старк пока не явился.

Любой из компактных источников питания на сегодняшний день может обеспечить экзоскелету лишь несколько часов автономной работы. Дальше - зависимость от провода. У неперезаряжаемых и аккумуляторных батарей есть свои ограничения вроде необходимости замены или медленной зарядки, соответственно. Двигатели внутреннего сгорания должен быть слишком надёжным, но не особо компактным. К тому же, в последнем случае понадобится дополнительная система охлаждения, а сам двигатель внутреннего сгорания сложно настроить на моментальный выброс большого количества энергии. Электрохимические топливные элементы могут быстро заправляться жидким топливом (например, метанолом) и давать нужный и моментальный выброс энергии, но работают при крайне высоких температурах. 600 градусов по Цельсию - относительно низкая температура для такого источника питания. С ним «железный человек» превратится в хот-дог.

Как ни странно, наиболее возможным вариантом решения топливного вопроса для экзоскелетов будущего может стать самый невозможный: беспроводная передача энергии. Она могла бы решить массу вопросов, ведь её можно передавать из сколь угодно большого реактора (и ядерного в том числе). Но как? Вопрос открыт.

Первые экзоскелеты делались из алюминия и стали, недорогих и простых в использовании. Но сталь слишком тяжёлая, а экзоскелет обязательно должен работать и над тем, чтобы поднять свой собственный вес. Соответственно, при большом весе костюма его эффективность упадёт. Алюминиевые сплавы достаточно лёгкие, но накапливают усталость, а значит, не особо подходят для высоких нагрузок. Инженеры находятся в поисках лёгких и прочных материалов вроде титана или углеродного волокна. Они неизбежно будут дорогими, но обеспечат эффективность экзоскелета.

Особую проблему представляют приводы. Стандартные гидравлические цилиндры достаточно мощные и могут работать с высокой точностью, но тяжёлые и требуют наличия кучи шлангов и трубок. Пневматика, напротив, слишком непредсказуема в плане обработки движений, поскольку сжатый газ пружинит, а реактивные силы будут толкать приводы.

Впрочем, разрабатываются новые сервоприводы на электронной основе, которые будут использовать магниты и обеспечивать отзывчивые движения, потребляя минимум энергии и будучи небольшими. Можете сравнить это с переходом от паровозов к поездам. Отметим ещё гибкость, которая должна быть у суставов, но здесь проблемы экзоскелетов могут решить разработчики скафандров. Они же помогут разобраться с адаптацией костюма к размерам носителя.

Управление

Особую проблему при создании экзоскелета представляет управление и регулировка чрезмерных и нежелательных движений. Нельзя просто так взять и сделать экзоскелет с одной скоростью реакции каждого из членов. Такой механизм может быть слишком быстрым для пользователя, а слишком медленным его не сделаешь - неэффективно. С другой стороны, нельзя положиться на пользователя и доверить датчикам считывать намерения по движениям тела: рассинхронизация движений пользователя и костюма приведёт к увечьям. Нужно ограничивать обе действующих стороны. Над решением этого вопроса и ломают головы инженеры. Кроме того, нужно заранее обнаружить непреднамеренное или нежелательное движение, чтобы случайный чих или кашель не привёл к вызову скорой.

Экзоскелеты и будущее

В 2010 году компании Sarcos и Raytheon совместно с Министерством обороны США показала боевой экзоскелет XOS 2. Первый прототип вышел за два года до этого, но не вызвал переполоха. А вот XOS 2 оказался настолько крутым, что журнал Time включил экзоскелеты в список пяти лучших военных инноваций года. С тех пор ведущие инженеры мира ломают головы над созданием экзоскелетов, которые смогут обеспечить преимущество на поле боя. И за пределами него тоже.

Что мы имеем на сегодняшний день?

Этот экзоскелет был представлен в 2011 году и был предназначен для людей с ограниченными возможностями. В январе 2013 года вышла обновленная версия - ReWalk Rehabilitation, а уже в июне 2014 года FDA одобрило использование экзоскелета на публике и дома, тем самым открыв ему дорогу в коммерческом плане. Система весит около 23,3 килограмма, работает на базе Windows и в трёх режимах: идти, сидеть и стоять. Стоимость: от 70 до 85 тысяч долларов.

Серия этих военных экзоскелетов находится в активной разработке (на очереди XOS 3). Весит около 80 килограммов и позволяет владельцу с лёгкостью поднимать 90 лишних килограммов. Последние модели костюма настолько подвижны, что позволяют играть с мячом. Как отмечают производители, один XOS может заменить трёх солдат. Возможно, третье поколение экзоскелета будет уже ближе к тому, что мы видим на экранах фантастических фильмов последних лет. Увы, пока он привязан к внешнему источнику питания.

Human Universal Load Carrier - творение известной компании Lockheed Martin совместно с Berkeley Bionics. Этот экзоскелет также предназначен для военных. Основа - гидравлика и литий-полимерные батареи. Правильно загрузив внешний каркас, с его помощью пользователь может переносить до 140 килограммов лишнего груза. Предполагается, что солдаты смогут использовать HULC а-ля «я и друг мой грузовик» в течение 72 часов. Разработка идёт полным ходом, поэтому неудивительно, что именно HULC могут первыми поступить на вооружение США.

ExoHiker, ExoClimber и eLEGS (Ekso)

Прототипы опять же Berkeley Bionics, предназначенные для выполнения различных задач. Первый должен помочь путешественникам переносить груз до 50 килограммов, был представлен в феврале 2005 года и весит около 10 килограммов. Учитывая небольшую солнечную панель, может работать очень и очень долго. ExoClimber - это десятикилограммовое дополнение к ExoHiker, позволяющее носителю прыгать и взбираться по ступенькам. В 2010 году наработки Berkeley Bionics вылились в eLEGS. Эта система - полноценный гидравлический экзоскелет, который позволяет парализованным людям ходить и стоять. В 2011 году eLEGS был переименован в Ekso. Он весит 20 килограммов, передвигается с максимальной скоростью в 3,2 км/ч и работает в течение 6 часов.

Очередной нашумевший экзоскелет японского производителя роботов Cyberdyne. Его назначение - обеспечить возможность ходить людям с ограниченными возможностями. Есть два основных варианта: HAL-3 и HAL-5. С момента презентации в 2011 году меньше чем за год HAL приняли «на вооружение» более 130 медицинских институтов по всей стране. Однако испытания будут продолжаться весь 2014 и, возможно, 2015 год. В августе 2013 года HAL получил карт-бланш на использование в качестве медицинского робота в Европе. Новейшая модель костюма весит около 10 килограммов.

Cредняя стоимость медицинского экзоскелета -
90 тысяч долларов.

Помимо серьёзных экзоскелетов на всё тело, всё большей популярностью пользуются ограниченные экзоскелеты, предназначенные для выполнения специфических задач. Например, в августе этого года был показан экзостул Chairless Chair, позволяющий сидеть стоя. Компании Daewoo и Lockheed Martin независимо друг от друга показали экзоскелеты для работников судостроительных верфей. Эти устройства позволяют рабочим удерживать груз или инструмент весом до 30 килограммов, особо не напрягаясь.

В России разработкой экзоскелета под названием «ЭкзоАтлет» занимается команда учёных, собранная на базе НИИ Механики МГУ. Они продолжают начатые ещё в СССР разработки Вукобратовича, о которых мы упоминали выше. Первый рабочий пассивный экзоскелет этой команды был разработан для сотрудников МЧС, пожарных и спасателей. При весе в 12 килограммов конструкция позволяет без особых усилий переносить до 100 килограммов груза. В планах компании - разработка силовой модели ExoAtler-A, которая позволит переносить до 200 килограммов, а также медицинского экзоскелета для реабилитации людей с ограниченными возможностями.

Объединяет все эти костюмы то, что представлены они по большей части в качестве прототипов. Значит, будут совершенствоваться. Значит, их ждут полевые испытания. Значит, будут новые модели. Значит, за ними будущее. Пока говорить о том, что рабочий и полезный экзоскелет можно пойти и купить на чёрном рынке, рановато. Но начало положено, а развитие этого направления уверенно входит в широкое русло. До костюма Тони Старка нам ещё далековато, но что мешает радоваться зрелищным фильмам? Любителям зрелищных разборок с участием экзоскелетов всегда будет что посмотреть: «Чужие» (1986), «Железный человек» (2008), «Аватар» (2009), «Район № 9» (2009), «Мстители» (2012), «Элизиум» (2013), «Грань будущего» (2014).

Одно известно наверняка: экзоскелеты в будущем будут повсюду. Они помогут нашим космонавтам освоить Марс, построить первые колонии и с удобством управляться в космосе. Они станут на вооружение в военном сегменте, поскольку по умолчанию наделяют солдат сверхчеловеческой силой. Они дадут возможность полноценно передвигаться тем, кто её потерял. Костюм Железного человека однажды станет реальным, как и всё, что вы видите вокруг.

«ЭкзоАтлет»