Экзоскелеты в шкафах
Тяготы службы станут легче
Испытания нового американского экзоскелета для оснащения военнослужащих в условиях, приближенных к боевым, состоятся в течение двух лет. Об этом сообщает американский еженедельник «Дифенс ньюс» со ссылкой на заявление представителей Управления перспективных исследований и разработок DARPA (Defence Advanced Research Project Agency).
Экзоскелет представляет собой независимое электромеханическое устройство, которое приводится в действие одним человеком. Оно способно существенно увеличить носимый груз, уровень мобильности и точности. Концепция экзоскелета не является новшеством, однако применение последних достижений в области цифровой обработки данных, миниатюрных датчиков и устройств контроля существенно облегчает задачу разработчиков.
Конечный опытный образец позволит сократить давление на военнослужащего груза массой 40 килограммов на 25 процентов. Экзоскелет позволит солдату без экипировки и снаряжения пробежать одну милю за четыре минуты. По мнению экспертов, американская армия будет массово оснащаться этим оборудованием через 10–15 лет.
Догонит ли скелет марокканца
Программа «Уорриор Веб» (Warrior Web – WW), разрабатываемая DARPA, охватывает всех американских военнослужащих. Однако большая часть испытаний девяти опытных образцов в первой фазе программы и четырех образцов на втором этапе проходит в центре сухопутных войск SPEAR (Soldier Performance and Equipment Advanced Research), расположенном на Абердинском полигоне (Мэрилэнд).
Уже через три года после начала программы WW военнослужащие проводят ее полевые испытания, перемещаясь с рюкзаком массой 32 килограмма в лесу. Они отмечают как достоинства системы, так и ее недостатки, например трение. Представители DARPA и сухопутных войск (СВ) США сообщают, что в целом получают позитивные отзывы, особенно после того, как солдаты привыкают к новым костюмам. Изучается возможность не только обеспечения комфортного ношения экзоскелета, но и повышения его эффективности и массы носимого груза.
Требования к опытным образцам экзоскелетов являются достаточно гибкими, что позволяет внедрять различные инновации. Однако окончательная версия, как предполагается, будет напоминать гидрокомбинезон, в котором установят систему для эффективного взаимодействия экзоскелета и человеческих мышц.
В опытном образце «Софт экзосьют» (Soft Exosuite) разработки гарвардского института WBIE (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) применена технология подвижных блоков для симуляции движения ноги. Особое внимание в нем уделяется поддержке бедра и голеностопного сустава. Как отметил представитель института, именно они выполняют основные движения в работе ноги при ходьбе. При конструировании экзоскелета были достигнуты успехи в области метаболизма, а также сокращен объем работы мышц.
«Софт экзосьют» был испытан на Абердинском полигоне в начале октября прошлого года. Тестирование последнего образца – «Эйр легз» (Air Legs) разработки университета Аризоны завершаются. В этом экзоскелете вместо подвижных блоков применяется давление воздуха. В настоящее время разработчики «Эйр легз» добились снижения давления груза на военнослужащего примерно на 10 процентов. Они сообщили, что в случае достижения требуемого показателя облегчения нагрузки на 25 процентов солдат сможет пробегать одну милю за четыре минуты, это немногим уступает мировому рекорду, установленному марокканцем Хишамом Эль-Герружем в 1999 году (3 мин. 43,13 сек.).
По мнению экспертов, проблемы в проведении замеров с учетом метаболизма существенно задержат поставки экзоскелетов в войска. Они отмечают индивидуальную походку каждого человека, что делает затруднительным сбор, анализ данных и составление четких выводов. Эксперты полагают, что испытание образцов с участием нескольких разных людей и последующее сравнение результатов не является корректной методикой.
Одна из целей DARPA – создание экзоскелета, который под униформой могли бы носить 90 процентов военнослужащих. В случае адаптации этого оборудования к оператору необходимо также разработать соответствующую методику обучения. По мнению экспертов, этого невозможно достичь при ограничении исследований только университетскими лабораториями.
Согласно заявлению DARPA от 2013 года улучшение основных показателей экзоскелета не единственная цель программы. Костюм должен функционировать без участия человека и автоматически адаптироваться к скорости и типу передвижения. Предполагается, что экзоскелет будет легким, вентилируемым и удобным в ношении, а также способным обрабатывать биометрические данные без подключения внешней ЭВМ. Костюм защитит мышцы и суставы военнослужащего от повреждений. Ожидается, что он сможет поддерживать тело человека при потере подвижности.
По условиям конкурса образцы должны соответствовать трем из четырех этих требований, при этом от окончательного варианта требуется выполнение первых трех функций. Проведение испытаний в условиях, максимально приближенных к боевым, запланировано на 2016 год. После завершения разработок руководство трех видов войск США определит, какие солдаты получат экзоскелеты, и установит порядок их применения.
Для промышленности и медицины
Аналогичными разработками занимаются и европейские компании. В частности, компания «Сажем» (Sagem), входящая в группу «Сафран» (Safran), подписала соглашение с лабораторией Percro (Perceptual Robotics Laboratory) из итальянского университета «Сант-Анна скул оф эдвэнсд стадиз оф Пиза» (Sant'Anna School of Advanced Studies of Pisa) по совместному проектированию экзоскелета. Французы будут отвечать за оценку с точки зрения физиологии человека и биомеханики. «Сант-Анна скул оф эдвэнсд стадиз оф Пиза» в свою очередь сосредоточится на исследованиях в области контроля, прикладной механики и мехатроники. Совместная работа должна привести к началу сборки опытных образцов в 2017 году. «Сажем» планирует применять свои наработки в области автономных источников питания, управления техникой и технологий стабилизации. Финансирование проекта будет осуществляться за счет общеевропейской научной программы «Хорайзон-2020» (Horizon 2020), а также средств группы «Сафран».
Технологии экзоскелета найдут множество применений, например при создании средств первой помощи и спасения в условиях природных катастроф. Соответствующие протезы могут быть использованы для улучшения состояния людей с ортопедическими травмами различной степени тяжести. Экзоскелет, возможно, упростит разработку кооперативной роботизированной схемы в промышленности, повысит массу переносимых грузов, поднимет уровень безопасности.
Для «Сафран» и ее дочернего предприятия «Сажем» европейские программы типа упомянутой выше предоставляют широкие возможности налаживания сотрудничества с Италией в области высокотехнологичных разработок, которые зачастую включают в себя создание продукции двойного назначения. Подобные совместные проекты (например по созданию самолета-заправщика А400М или вертолета NH90) обеспечивают к тому же развитие малого бизнеса стран-участниц.
Китайская штучка
Свой вариант экзоскелета разрабатывает КНР. В Китае создан опытный образец, который может стать основой будущего «костюма» солдата XXI века, пишет китайская газета «Цзефан цзюньбао».
В главном госпитале Нанкинского военного округа, на базе которого был разработан экзоскелет, прошли его испытания. При тестировании опытной модели неподготовленному человеку предлагалось перенести на несколько десятков метров 35-килограммовый ящик с боеприпасами, преодолеть ряд препятствий. Испытуемый прекрасно справился с заданием, отметив, что груз показался ему не тяжелее рюкзака, а движения не были скованными.
Создатель экзоскелета доктор наук Чжоу подчеркивает: при проектировании применены принципы бионики (использование в технических устройствах методов организации живых организмов), что позволило добиться высокой степени интеграции между системой управления модулями костюма и человеком. Основные части тела солдата при помощи чувствительных датчиков подключены к центральной системе управления модулями. Это позволяет механической оболочке костюма точно повторять движения человека. Ученый полагает, что в будущем они усовершенствуют устройство, сделав его более быстрым и гибким.
Разработчики не уточняют характеристик модели, но подтверждают, что она создана в военных целях. Очевидно, что в будущем требования, предъявляемые к военнослужащим на поле боя, будут только возрастать. Экзоскелет станет базой для унифицированной экипировки с интегрированной системой боевого управления, защиты, связи.
Силой курской мысли
В России подобные задачи решаются, в частности, в Юго-Западном госуниверситете (ЮЗГУ, Курск). Здесь приступили к разработке экзоскелета для нужд армии, медицины и космонавтики, управляемого импульсами нервной системы человека, фактически «силой мысли».
Планируется, что образец из легких и прочных материалов (кевлара и углепластика) будет обладать грузоподъемностью 100 килограммов, иметь возможность подниматься по лестницам, бегать и прыгать, а управляться будет без джойстиков или других приспособлений. «Надо создать такой аппарат, который не требует каких-то дополнительных мыслительных усилий со стороны человека. Все должно происходить естественно, как мы с вами ходим», – отметил доктор технических наук, профессор ЮЗГУ Сергей Яцун. Для решения задачи, по его словам, планируется привлечь к разработке нейрологов: «Новые высокомоментные приводы, системы управления основываются на нейросетевых технологиях». Электроды, интегрированные в нервную систему человека, будут приводить экзоскелет в движение. Проблема на данный момент не решена, отмечает Сергей Яцун, над ней активно работают во всем мире. Благодаря гранту Российского научного фонда, выигранному ЮЗГУ, курские робототехники получили возможность конкурировать с западными учеными. Для этого в Курске создадут научно-исследовательскую лабораторию, закупят андроидных роботов, суперкомпьютеры, 3D-принтеры и сканеры, другую современную технику, способную ускорить производственный процесс в пять-шесть раз. На создание работоспособного прототипа у ученых ЮЗГУ есть три года.
Планируется, что разработка заинтересует в первую очередь армию, однако экзоскелет, управляемый «силой мысли», может также найти применение в медицине – для реабилитации больных с повреждениями конечностей, при освоении дальнего космоса, компенсируя ущерб, который наносит физическим способностям человека длительное нахождение в невесомости.
Испытания нового американского экзоскелета для оснащения военнослужащих в условиях, приближенных к боевым, состоятся в течение двух лет. Об этом сообщает американский еженедельник «Дифенс ньюс» со ссылкой на заявление представителей Управления перспективных исследований и разработок DARPA (Defence Advanced Research Project Agency).
Экзоскелет представляет собой независимое электромеханическое устройство, которое приводится в действие одним человеком. Оно способно существенно увеличить носимый груз, уровень мобильности и точности. Концепция экзоскелета не является новшеством, однако применение последних достижений в области цифровой обработки данных, миниатюрных датчиков и устройств контроля существенно облегчает задачу разработчиков.
Конечный опытный образец позволит сократить давление на военнослужащего груза массой 40 килограммов на 25 процентов. Экзоскелет позволит солдату без экипировки и снаряжения пробежать одну милю за четыре минуты. По мнению экспертов, американская армия будет массово оснащаться этим оборудованием через 10–15 лет.
Догонит ли скелет марокканца
Программа «Уорриор Веб» (Warrior Web – WW), разрабатываемая DARPA, охватывает всех американских военнослужащих. Однако большая часть испытаний девяти опытных образцов в первой фазе программы и четырех образцов на втором этапе проходит в центре сухопутных войск SPEAR (Soldier Performance and Equipment Advanced Research), расположенном на Абердинском полигоне (Мэрилэнд).
Уже через три года после начала программы WW военнослужащие проводят ее полевые испытания, перемещаясь с рюкзаком массой 32 килограмма в лесу. Они отмечают как достоинства системы, так и ее недостатки, например трение. Представители DARPA и сухопутных войск (СВ) США сообщают, что в целом получают позитивные отзывы, особенно после того, как солдаты привыкают к новым костюмам. Изучается возможность не только обеспечения комфортного ношения экзоскелета, но и повышения его эффективности и массы носимого груза.
Требования к опытным образцам экзоскелетов являются достаточно гибкими, что позволяет внедрять различные инновации. Однако окончательная версия, как предполагается, будет напоминать гидрокомбинезон, в котором установят систему для эффективного взаимодействия экзоскелета и человеческих мышц.
В опытном образце «Софт экзосьют» (Soft Exosuite) разработки гарвардского института WBIE (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) применена технология подвижных блоков для симуляции движения ноги. Особое внимание в нем уделяется поддержке бедра и голеностопного сустава. Как отметил представитель института, именно они выполняют основные движения в работе ноги при ходьбе. При конструировании экзоскелета были достигнуты успехи в области метаболизма, а также сокращен объем работы мышц.
«Софт экзосьют» был испытан на Абердинском полигоне в начале октября прошлого года. Тестирование последнего образца – «Эйр легз» (Air Legs) разработки университета Аризоны завершаются. В этом экзоскелете вместо подвижных блоков применяется давление воздуха. В настоящее время разработчики «Эйр легз» добились снижения давления груза на военнослужащего примерно на 10 процентов. Они сообщили, что в случае достижения требуемого показателя облегчения нагрузки на 25 процентов солдат сможет пробегать одну милю за четыре минуты, это немногим уступает мировому рекорду, установленному марокканцем Хишамом Эль-Герружем в 1999 году (3 мин. 43,13 сек.).
По мнению экспертов, проблемы в проведении замеров с учетом метаболизма существенно задержат поставки экзоскелетов в войска. Они отмечают индивидуальную походку каждого человека, что делает затруднительным сбор, анализ данных и составление четких выводов. Эксперты полагают, что испытание образцов с участием нескольких разных людей и последующее сравнение результатов не является корректной методикой.
Одна из целей DARPA – создание экзоскелета, который под униформой могли бы носить 90 процентов военнослужащих. В случае адаптации этого оборудования к оператору необходимо также разработать соответствующую методику обучения. По мнению экспертов, этого невозможно достичь при ограничении исследований только университетскими лабораториями.
Согласно заявлению DARPA от 2013 года улучшение основных показателей экзоскелета не единственная цель программы. Костюм должен функционировать без участия человека и автоматически адаптироваться к скорости и типу передвижения. Предполагается, что экзоскелет будет легким, вентилируемым и удобным в ношении, а также способным обрабатывать биометрические данные без подключения внешней ЭВМ. Костюм защитит мышцы и суставы военнослужащего от повреждений. Ожидается, что он сможет поддерживать тело человека при потере подвижности.
По условиям конкурса образцы должны соответствовать трем из четырех этих требований, при этом от окончательного варианта требуется выполнение первых трех функций. Проведение испытаний в условиях, максимально приближенных к боевым, запланировано на 2016 год. После завершения разработок руководство трех видов войск США определит, какие солдаты получат экзоскелеты, и установит порядок их применения.
Для промышленности и медицины
Аналогичными разработками занимаются и европейские компании. В частности, компания «Сажем» (Sagem), входящая в группу «Сафран» (Safran), подписала соглашение с лабораторией Percro (Perceptual Robotics Laboratory) из итальянского университета «Сант-Анна скул оф эдвэнсд стадиз оф Пиза» (Sant'Anna School of Advanced Studies of Pisa) по совместному проектированию экзоскелета. Французы будут отвечать за оценку с точки зрения физиологии человека и биомеханики. «Сант-Анна скул оф эдвэнсд стадиз оф Пиза» в свою очередь сосредоточится на исследованиях в области контроля, прикладной механики и мехатроники. Совместная работа должна привести к началу сборки опытных образцов в 2017 году. «Сажем» планирует применять свои наработки в области автономных источников питания, управления техникой и технологий стабилизации. Финансирование проекта будет осуществляться за счет общеевропейской научной программы «Хорайзон-2020» (Horizon 2020), а также средств группы «Сафран».
Технологии экзоскелета найдут множество применений, например при создании средств первой помощи и спасения в условиях природных катастроф. Соответствующие протезы могут быть использованы для улучшения состояния людей с ортопедическими травмами различной степени тяжести. Экзоскелет, возможно, упростит разработку кооперативной роботизированной схемы в промышленности, повысит массу переносимых грузов, поднимет уровень безопасности.
Для «Сафран» и ее дочернего предприятия «Сажем» европейские программы типа упомянутой выше предоставляют широкие возможности налаживания сотрудничества с Италией в области высокотехнологичных разработок, которые зачастую включают в себя создание продукции двойного назначения. Подобные совместные проекты (например по созданию самолета-заправщика А400М или вертолета NH90) обеспечивают к тому же развитие малого бизнеса стран-участниц.
Китайская штучка
Свой вариант экзоскелета разрабатывает КНР. В Китае создан опытный образец, который может стать основой будущего «костюма» солдата XXI века, пишет китайская газета «Цзефан цзюньбао».
В главном госпитале Нанкинского военного округа, на базе которого был разработан экзоскелет, прошли его испытания. При тестировании опытной модели неподготовленному человеку предлагалось перенести на несколько десятков метров 35-килограммовый ящик с боеприпасами, преодолеть ряд препятствий. Испытуемый прекрасно справился с заданием, отметив, что груз показался ему не тяжелее рюкзака, а движения не были скованными.
Создатель экзоскелета доктор наук Чжоу подчеркивает: при проектировании применены принципы бионики (использование в технических устройствах методов организации живых организмов), что позволило добиться высокой степени интеграции между системой управления модулями костюма и человеком. Основные части тела солдата при помощи чувствительных датчиков подключены к центральной системе управления модулями. Это позволяет механической оболочке костюма точно повторять движения человека. Ученый полагает, что в будущем они усовершенствуют устройство, сделав его более быстрым и гибким.
Разработчики не уточняют характеристик модели, но подтверждают, что она создана в военных целях. Очевидно, что в будущем требования, предъявляемые к военнослужащим на поле боя, будут только возрастать. Экзоскелет станет базой для унифицированной экипировки с интегрированной системой боевого управления, защиты, связи.
Силой курской мысли
В России подобные задачи решаются, в частности, в Юго-Западном госуниверситете (ЮЗГУ, Курск). Здесь приступили к разработке экзоскелета для нужд армии, медицины и космонавтики, управляемого импульсами нервной системы человека, фактически «силой мысли».
Планируется, что образец из легких и прочных материалов (кевлара и углепластика) будет обладать грузоподъемностью 100 килограммов, иметь возможность подниматься по лестницам, бегать и прыгать, а управляться будет без джойстиков или других приспособлений. «Надо создать такой аппарат, который не требует каких-то дополнительных мыслительных усилий со стороны человека. Все должно происходить естественно, как мы с вами ходим», – отметил доктор технических наук, профессор ЮЗГУ Сергей Яцун. Для решения задачи, по его словам, планируется привлечь к разработке нейрологов: «Новые высокомоментные приводы, системы управления основываются на нейросетевых технологиях». Электроды, интегрированные в нервную систему человека, будут приводить экзоскелет в движение. Проблема на данный момент не решена, отмечает Сергей Яцун, над ней активно работают во всем мире. Благодаря гранту Российского научного фонда, выигранному ЮЗГУ, курские робототехники получили возможность конкурировать с западными учеными. Для этого в Курске создадут научно-исследовательскую лабораторию, закупят андроидных роботов, суперкомпьютеры, 3D-принтеры и сканеры, другую современную технику, способную ускорить производственный процесс в пять-шесть раз. На создание работоспособного прототипа у ученых ЮЗГУ есть три года.
Планируется, что разработка заинтересует в первую очередь армию, однако экзоскелет, управляемый «силой мысли», может также найти применение в медицине – для реабилитации больных с повреждениями конечностей, при освоении дальнего космоса, компенсируя ущерб, который наносит физическим способностям человека длительное нахождение в невесомости.
Автор Николай Новичков, Дмитрий Федюшко
Первоисточник http://vpk-news.ru/articles/23365