Разработки в области биомеханики
Экзоскелет HULC (Human Universal Load Carrying System – универсальная несущая конструкции для человека) от компании Lockheed Martin был создан для интенсивного использования на всех типах местности. В нем отражена достаточно хорошо биомеханика человека, что позволяет владельцу без проблем приседать, ползать, шагать и бегать
Когда пехотинцы переносят грузы, обращаются со снаряжением и вооружением, преодолевают труднопроходимую местность, они демонстрируют подвижность, быстроту выполнения и выносливость в такой комбинации, которую до сих пор не может превзойти ни одно транспортное средство. Впрочем, темпы, с какими солдаты демобилизуются по состоянию здоровья из армии в результате мышечно-костных травм, указывают на то, что физические требования, предъявляемые к их телам, приближаются и зачастую превышают то, что они объективно могли бы выдержать. Поэтому сегодня как никогда важно сформировать глубокое понимание биомеханики человеческого тела. Во всем мире ведутся научно-исследовательские работы, в которых используются накопленные знания и опыт создания пригодных для носки систем, работающих с биомеханикой человека, с целью снижения риска травм, повышения производительности и смягчения последствий повреждений, приводящих к потере трудоспособности.
Понимание возможностей и ограничений человеческого тела сыграло важную часть в эргономике и сделало все типы транспортных средств и машин безопаснее, проще и более эффективными для работы, а по мере продвижения науки и технологии этот человеко-машинный интерфейс становится все в большей степени дружественным. Конечное воплощение этого – слияние людей и роботов в новых сущностях-киборгах – является одной из самых популярных тем в научной фантастике и ближе к научной реальности, чем можно было бы предположить.
Реальность киборгов
Среди исследовательских работ в области биомеханики можно отметить знаменитые новаторские эксперименты с имплантантами, проведенными профессором кибернетики Кевином Уорвиком из университета города Рединга, который использовал себя в качестве подопытного кролика. В проекте «Cyborg 1» в 1998 году врач общей практики имплантировал в его левую руку радиопередатчик длиной 23 мм и диаметром 3 мм (фактически устройство радиочастотной идентификации RFID). Такая имплантация была проведена впервые. В успешном девятидневном эксперименте по команде запросного устройства имплантант испускал кодированный сигнал, который использовался для открывания дверей, включения и выключения света, обогревателей и компьютеров.
В рамках проекта «Cyborg 2» в 2002 году в больнице Оксфорда группой нейрохирургов была проведена сложная операция по вживлению хирургическим путем в срединные нервные волокна левой руки профессора Уорвика имплантанта с гораздо более сложной матрицей из 100 электродов. Разработанная группой под руководством доктора Марка Гэссона, технология имплантантов позволила Уорвику контролировать инвалидную коляску с электроприводом и «интеллектуальную» искусственную руку. Имплантант мог измерять нервные сигналы в руке и создавать искусственное чувство за счет стимуляции нервов индивидуальными электродами матрицы. Жена профессора Уорвика также согласилась принять участие в эксперименте, в ее руку был вживлен такой же имплантант, что позволило паре продемонстрировать двунаправленную функциональность этой технологии.
В то время как в этой работе были продемонстрированы возможности нервной системы по управлению механическим устройством, что имитирует биомеханику человека, в другой работе было показано, как электрические имплантанты могут помочь преодолеть повреждения нервной системы, которые как считалось прежде невозможно исправить. Доктор Харкема из университета города Луисвилла показала, как относительно простой имплантант может восстановить движения несмотря на «полные» повреждения спинного мозга. Используя только 16-контактный эпидуриальный (находящийся за пределами твердой мозговой оболочки) стимулятор, предназначенный для купирования боли, доктор Харкема и ее команда восстановила чувствительность, движения и способность стоять у мужчины, который был парализован пять лет ниже груди после аварии в мотокроссе, случившейся в 16 лет. С включенным стимулятором Кент Стивенсон по желанию мог двигать своими ногами и голеностопными суставами и стоять самостоятельно – способности, которые улучшаются при интенсивной практике. Имплантант скорее стимулирует здоровые нервы, расположенные ниже в спинном мозге, чем исправляет или устраняет нарушения спинного мозга.
Спинномозговые раздражители
«Мы знали много десятилетий, почти целый век, что у всех других биологических видов спинной мозг является очень сложной системой и фактически управляет всеми аспектами локомоции (совокупность согласованных движений, посредством которых объект перемещается в пространстве). Но считалось, что когда люди эволюционировали и мы получили наш фантастический мозг, он якобы принял на себя все управление, – рассказывает доктор Харкема. – Поэтому мои исследования действительно сосредоточились на том, обеспечивает ли спинной мозг человека эти качества и выяснили, что он выполняет эти функции. И это означает для человека с повреждениями спинного мозга, что даже если есть полное и очевидное «размыкание» с мозгом, мы многое можем сделать с тем, что осталось в нервной системе».
«Может оказаться, что все движения контролируются на уровне спинного мозга, – продолжает доктор Харкема, рассуждая о том, что мозг скорее выдает команды высокого уровня, чем детально управляет всеми движениями и что очень слабые сигналы должны пройти сквозь повреждение или обойти его. – При продолжении процесса тренировки этих людей, интенсивность стимуляции, которая нам необходима, уменьшается, поэтому мы считаем, что нервная система адаптируется».
В то время как биомеханические и биоэлектронные устройства становятся всё более эффективными при использовании протезов конечностей и имплантантов, повышающих физические способности инвалидов, потенциал сопутствующих и смежных технологий с целью улучшения возможностей человека изучается с растущим энтузиазмом. Самым захватывающим проявлением этого являются экзоскелеты и их родственники экзокостюмы, которые представляют собой относительно новую сферу «мягкой роботизации».
Восстание машин
Экзоскелеты позволяют человеку поднимать и переносить тяжелые грузы, передвигаться быстрее и сохранять работоспособность с такими грузами, которые иначе нельзя просто поднять без посторонней помощи. Пассивные (или без источника питания) экзоскелеты позволяют владельцу поддерживать тяжелые грузы без напряжения, но не наделяют никакой лишней силой. Компании Lockheed Martin и Raytheon были очень активны в сфере технологии военных экзоскелетов. Первая из них разработала систему для нижней части тела HULC (Human Universal Load Carrier – универсальная несущая конструкция для человека) с питанием от аккумуляторов, которая оценивалась американской армией для использования в боевых условиях. Вторая система FORTIS без энергоснабжения предназначена для промышленного использования. Проект по проверке экспериментальной концепции компании Raytheon XOS 1 привел в итоге к системе для всего тела, получившей обозначение XOS 2.
18 августа 2014 года компания Lockheed Martin объявила о получении контракта от Национального центра технологической науки по оценке двух экзоскелетов FORTIS корпусом морской пехоты. Главной целью этих работ является развитие технологии и организация ее перехода на промышленную базу министерства обороны, проведение испытаний и оценки использования этой системы при работе с ручными инструментами на верфях американских ВМС.
Пассивный экзоскелет FORTIS состоит из жесткого тазового ремня, который передает большие нагрузки на землю посредством шарнирных ног, которые кроме всего прочего позволяют владельцу нормально ходить. Шарнирная рука, закрепленная на тазовом ремне, поддерживает вес тяжелых ручных инструментов, позволяя пользователю работать с ними продолжительное время при минимальной усталости. Подпружиненные шарниры руки с технической точки зрения напоминают шарниры человеческой руки, так что владелец может двигаться как обычно.
«Обслуживание судов зачастую требует тяжелых инструментов, например это шлифовальные машинки, клепальные молотки или пескоструйные аппараты», – сказал руководитель новых направлений в компании Lockheed Martin Missiles and Fire Control Адам Миллер. Эти инструменты отнимают много сил у операторов из-за своей массы и стесненных условий, в которых им порой приходится работать. При надевании экзоскелета FORTIS операторы могут работать с тяжелыми инструментами в течение длительного промежутка времени, при этом их утомляемость значительно снижается».
FORTIS позволяет владельцу работать стоя или на коленях, в то время как рука zeroG, разработанная американской компанией Equipois, дает возможность «без усилий» манипулировать инструментами или другими предметами массой до 16,3 кг. В компании Lockheed Martin заявляют о снижении мышечного утомления на 300% и повышении производительности труда от двух до 27 раз.
Компания Revision адаптировала свои технологии экзоскелета для использования в программе TALOS (Tactical Assault Lightweight Operator Suit – легкий комплект для спецподразделений) американского командования силами специальных операций. Еще одна система PROWLER была разработана канадской фирмой B-tema и служит в качестве экзоскелета нижних конечностей.
Экзоскелет XOS 2 от Raytheon питается от внешнего источника, поэтому он привязан к транспортному средству, но компания объявила о разработке варианта для нижней части тела, у которого уже будет свой собственный аккумулятор
Старая идея, новые технологии
Работы по активным (с собственным источником энергоснабжением) экзоскелетам для военных ведутся уже ни одно десятилетие. К первым примерам можно отнести сотрудничество между компанией General Electric и Управлением военно-морских исследований по разработке устройства, названного HARDIMAN. Это сотрудничество началось в 1965 году как совместная программа армии и флота. Возможно, она была вдохновлена костюмами, которые носили пехотинцы в научно-фантастическом романе Роберта Хайнлайна 1959 года «Звездный десант». Созданный для таких задач, как например заряжание вооружения и другие тяжелые работы на борту авианосцев, HARDIMAN мог поднимать грузы массой 680,3 кг; при этом имелась силовая обратная связь для того, чтобы позволить оператору чувствовать что происходит. Впрочем, HARDIMAN также весил 600 кг и задержки в его системе управления сделали его малопрактичным.
Экзоскелет XOS 2 от Raytheon ближе всего напоминает концепцию HARDIMAN, в соответствии с которой он предназначен для логистических работ, но при этом современные технологии делают его существенно более практичным. Его полноразмерная конфигурация включает руки с гидравлическим приводами, которые позволяют владельцу несколько сотен раз поднимать 90,7 кг без ощущения усталости и многократно в цикличном режиме пробивать трехдюймовую доску. Тем не менее, в компании заявляют, что «он настолько подвижен и грациозен, что позволяет своему владельцу играть с футбольным мячом, бить по боксерской груше или с легкостью подниматься по ступеням и аппарелям». Когда компания Raytheon Sarcos показала экзоскелет XOS 2 в сентябре 2010 года, вице-президент компании сказал, что при стабильном финансировании они могут быть развернуты в течение пяти лет.
Электрогидравлический экзоскелет HULC от компании Lockheed Martin имеет источник питания и соответственно не имеет привязного кабеля, передавая массу груза до 90,7 кг плюс свои собственные 24 кг на грунт через титановые ноги. Биомеханические испытания экзоскелета HULC проводились на солдатах американской армии в исследовательском центре Натик в течение 2011 года, по результатам которых был назначен переход к тому, что описывается как серия «полевых экскурсий в моделируемом боевом пространстве», которая позволит сделать заключение о его полезности.
Как заявили в Гарвардском университете, «перспективные варианты Soft Exosuit могут помочь людям с ограниченной подвижностью»
Экзоскелеты командования силами специальных операций и Агентства DARPA
Технология экзоскелетов является частью программы TALOS, которая представляет собой работы по совмещению легкой и более эффективной баллистической защиты всего тела и силы «за пределами человеческих возможностей». TALOS – это детище командующего силами специальных операций адмирала Вильяма Макрейвена, TALOS – это ускоренное создание опытного образца, в котором сведены воедино множество технологий от 56 корпораций, 16 государственных агентств, 13 университетов и 10 национальных лабораторий. Три пассивных (беспривязных) прототипа должны были быть доставлены командованию в июне 2015 года, а эксплуатационная готовность системы ожидается к августу 2018 года.
Появились несколько специфических подробностей о кандидатах биомеханических технологий, но одним из самых интересных является проект Soft Exosuit, разрабатываемый в рамках программы Warrior Web агентства DARPA. Агентство выдало Гарвардскому университету контракт стоимостью 2,9 миллиона долларов на дальнейшую разработку экзокостюма Soft Exosuit, который можно будет носить под одеждой. Он позволит солдатам проходить большие расстояния, снизит утомляемость и минимизирует риск травм при переносе тяжелых грузов.
Предыдущие работы позволили провести проверку концепции того, что университет называет радикально новым подходом к проектированию и созданию «носимого робота», который вдохновлен глубоким пониманием биомеханики ходьбы человека. Технология Soft Exosuit обуславливает развитие того, что в университете характеризуют как «всецело новые формы функциональных тканых, гибких двигательных систем, мягких сенсоров и стратегии управления, позволяющие интуитивное и бесшовное взаимодействие человека и машины».
«В то время как идея носимого робота не нова, наш подход к его созданию определенно является инновационным», – говорит Коннор Волш, возглавляющий команду проектировщиков.
Имитируя работу мускулов и сухожилий ног при ходьбе, костюм также предоставляет небольшую, но «тщательно синхронизированную» помощь в суставах без какого-либо ограничения движений. Один из нынешних прототипов отличается несколькими разгрузочными ремнями вокруг нижней части тела. В этих ремнях размещаются микропроцессор малой мощности и сеть гибких тензодатчиков, которые все вместе мониторят положение и движения тела владельца. Впрочем, в отличие от твердого экзоскелета, Soft Exosuit по всей видимости не передает нагрузку на грунт.
В то время как тяжести, переносимые солдатами, вряд ли станут легче, понимание биомеханики человека и новые технологии с этим связанные позволят сделать их ношу, включая ту, что причиняет травмы, более легкой.
Использованы материалы:
www.monch.com
www1.iwr.uni-heidelberg.de
www.lockheedmartin.com
www.raytheon.com
Информация