Громадська думка поступово упокорюється з думкою , що в багатьох видах діяльності людей дуже скоро замінять роботи . Хтось розглядає подібний сценарій як катастрофа , хтось радіє позбавлення мільйонів від рутинної нецікавої роботи . Але ще півстоліття тому намітився інший варіант взаємодії людини і машини – який передбачає " всього лише " додаток наших м'язів і суглобів потужними моторами і міцними важелями .
ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ
Пристрій: розберемо екзоскелет на складові
Хоч би якими були успіхи в розробці штучного інтелекту ( ШІ ) , до здібностей мозку Homo Sapiens йому дуже і дуже далеко . Крім того , штучні кінцівки ніяк не зрівняються з нашими руками і ногами . Одним словом , роботи- андроїди " як в кіно " з'являться ще не скоро .
З іншого боку, є багато ситуацій, коли фізичних можливостей людини явно не вистачає. Ті зусилля, які витрачаються на досягнення олімпійських рекордів, наочно демонструють: ми майже досягли меж людського організму в швидкості, силі удару, перевантаженнях, масі тягарів і т. д.
У зв'язку з цим цілком розумною виглядає ідея посилити наші скелет і м'язи до рівня людиноподібного робота. Іншими словами, спорудити такий собі чи то каркас, то чи скафандр, який буде в найменших подробицях повторювати і одночасно багаторазово збільшувати м'язові зусилля. Такий пристрій отримав назву "екзоскелет" (від грецького – "зовнішній").
Слід зауважити, що екзоскелети широко використовуються в тваринному світі. Молюски, членистоногі, ракоподібні обзавелися ними вже мільйони років тому. Але призначення їх дещо інше, ніж у тих пристроїв, про які ми розповідаємо. За великим рахунком екзоскелет якогось жука або рака виконує ті ж функції, що і внутрішній скелет ссавця.
Всякий екзоскелет складається з декількох найважливіших складових: власне механічного скелета і механізмів, що призводять його в рух. Далі слідують джерело енергії і програма, яка керує всім пристроєм так, як це потрібно оператору .
- Живлення
Компактне і містке джерело живлення залишається болючим питанням для багатьох технологій , і екзоскелет не виняток . Всім його моторам і мікропроцесорам потрібна маса енергії , причому протягом тривалого часу . Крім того , специфіка застосування екзоскелета вимагає можливості миттєвої подачі великої кількості енергії ( наприклад , при швидкому підйомі важкого предмета ) .
Жодне з існуючих в наш час джерел енергії не може задовольнити вимоги для екзоскелета подібного до того, що був в амуніції кіношної Залізної людини. Акумуляторні батареї важкі і швидко розряджаються. Електрохімічні паливні елементи дозволяють забезпечити миттєвий викид енергії, але вимагають для роботи високих температур. Атомні реактори поки з області фантастики. Цілком можливо, що вирішити труднощі допоможе бездротова передача енергії до пристрою від віддаленого джерела енергії. Залишилося тільки реалізувати ідею на практиці.
- Матеріали
Деталі перших екзоскелетів виготовлялися з алюмінію і сталі . Але , на жаль , сталь важка , що знижувало ефективність роботи пристрою . Сплави з використанням алюмінію легкі , але мають властивість накопичувати втому , тобто не надто годяться для великих навантажень . Вихід бачиться в матеріалах на зразок титану і вуглепластиків . Так , вийде досить накладно , але ефективно .
- Механіка
Наступний головний біль інженерів – механізми , які приводять екзоскелет в рух ( сервоприводи ) , і всілякі рухливі зчленування . Їх може бути кілька десятків , а то і сотень . Адже тіло людини являє собою один з найскладніших механізмів в природі . Повторити злагоджену роботу м'язів і суглобів механічними засобами – ще те завдання ...
В якості приводів нерідко використовувалися гідравлічні циліндри: вони потужні і точні, але важкі і складні в конструкції, яка обтяжена купою всіляких шлангів. Пневматика, навпаки, виявилася мало передбачуваною і неточною при обробці рухів оператора.
Майбутнє бачиться в сервоприводах, начинених електронікою, з використанням магнітів. Вони зможуть забезпечити точність рухів, низьке споживання енергії і при невеликих розмірах. Можете порівняти це з переходом від паровозів до поїздів. Рухливість суглобів екзоскелета зараз бачиться як непросте, але цілком вирішуване завдання. У розробників всіляких скафандрів досвід є.
- Управління
Програмне забезпечення екзоскелета – величезне поле діяльності для розробників. Тут треба буде розв'язати безліч проблем. Наприклад, щоб механіка коректно взаємодіяла з тілом людини і не дозволяла собі самоуправства. Некоректна робота механізмів буде не просто заважати роботі, але може навіть покалічити користувача. Це зрозуміли конструктори першого екзоскелета ще в 60-х роках минулого століття. Або щоб екзоскелет ігнорував те, що не стосуються справи або мимовільні рухи – здригання тіла при чханні або кашлі, наприклад.
Надзавдання. Тіло людини – найскладніший механізм в природі і важко піддається копіюванню
Біля витоків: перші робокроки
Пристрої , які можна назвати предтечами екзоскелетів , з'явилися на початку XX ст.
Перші ж екзоскелети побудували на початку епохи комп'ютерів і освоєння космосу . Тоді здавалося , що науці під силу все . Але стосовно до теми нашої розмови , ситуація розвивалася так само , як з польотом на Марс і створенням роботів : від завищених очікувань спочатку – до втрати інтересу на довгі десятиліття . А потім – серія проривів і відродження загального інтересу , вже на базі нових технологій і знань .
У 1965 р General Electric представляє екзоскелет Hardiman. При масі 650 кг він володів вантажопідйомністю в 110 кг. При цьому оператору для підйому центнера ваги потрібно було докласти зусилля, як якщо б вантаж важив 5 кг. Проект закрили в 1971 р .: конструкторам не вдалося налагодити взаємодію оператора і машини. Управління машиною та й самі механічні кінцівки були далекі від досконалості. Вони могли раптово почати неконтрольовані рухи або покалічити оператора, що знаходиться всередині екзоскелета. Тому Hardiman так ніколи і не був випробуваний в роботі спільно з людиною.
Оператор біля Hardiman’а
У 1969 році югославський вчений Міомір Вукобратовіч представляє екзоскелет , оснащений пневматичними силовими приводами . Це пристрій було навіть здатний відтворювати подобу людської ходи . В історії науки і техніки саме творіння Вукобратовіча вважають прообразом медичних екзоскелетів і сучасних людиноподібних крокуючих роботів .
Югославія. Праці Вукобратовіча лягли в основу крокуючих роботів
Наш досвід: доступно і якісно
Киянин Антон Головаченко кілька років тому запропонував для людей з інвалідністю пристрій власної розробки . Повна його назва – UniExo , або " універсальний медичний роботизований екзоскелет " .
ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ
Датчики в екзоскелет реагують на рух м'язів пальців . Після обробки цих сигналів комп'ютер , керуючий комплексом , дає команди механізмам . Комп'ютер здатний запам'ятовувати , відтворювати і навіть діагностувати руху . У світі є кілька аналогів UniExo , але дітище Головаченка однозначно виграє у них по вартості . За підрахунками Антона , UniExo з нейроуправленіем буде коштувати близько $ 30 тис . , що в 2-4 рази дешевше закордонних аналогів .
UniExo. Українська розробка обходить конкурентів за вартістю
Застосування: для війни, роботи та допомоги
Сфери застосування екзоскелетів визначилися ще в ті часи, коли вони існували тільки на сторінках наукової фантастики. Найбільш виправдано їх використання в екстремальних ситуаціях, наприклад під час війни або рятувальних операцій. Тут економічні аспекти відходять на задній план в порівнянні з підвищенням ефективності. Але в цих областях важлива свобода рухів користувача екзоскелета. І тут поки нічого, що повністю задовольняє замовників, не запропоновано. Ще одна сфера використання екзоскелетів – повернення свободи дій людям, позбавленим можливості пересуватися з яких-небудь причин.
EksoVest. Приклад використання екзоскелета на виробництві. У минулому році компанія Ford почала використовувати на 18 своїх заводах пристрій EksoVest. Він кріпиться до поясу працівника і являє собою конструкцію, що бере на себе частину навантаження, що припадає на руки і торс робітника. Справа в тому, що робітники на складальних лініях роблять тисячі одноманітних рухів за зміну, але замінити їх роботами-маніпуляторами не виходить з технологічних і економічних міркувань. Більшу частину цієї рутини робочі виконують на рівні грудей і голови. EksoVest буде тримати за руку працівника і знімає з них частину навантаження при роботі з важкими інструментами. В результаті вдалося помітно знизити втому і травматизм. Цікаво, що пристрій це суто механічний, складається з важелів і пружин.
EksoVest. Розвантажує плечі і руки робітників при складанні автомобілів
ReWalk. Біонічне костюм ReWalk дозволяє людям зі складними ушкодженнями спинного мозку і хребта пересуватися без коляски. Але людині потрібні "працюючі" руки і плечі: поки що при ходьбі за допомогою цього пристосування потрібні милиці для збереження рівноваги. Екзоскелет складається з ранця з блоком управління і батареєю, моторизованих "стегон", шарнірів і пульта керування у вигляді браслета. З пульта даються команди на рух і зупинку. Повністю зарядженої батареї вистачає на чотири години руху. На жаль, така необхідна багатьом машина досить недешева – близько $ 70 тис.
ReWalk. Дозволяє зійти з коляски людям з травмами спини
Exosuit.Підводний екзоскелет – скафандр Exosuit від компанії Nuytco Research дозволяє виконувати всілякі роботи на глибинах , перш доступних тільки підводним човнам або безпілотним апаратам . Оператор пересувається за допомогою двигунів на ногах екзоскелета . Верхні кінцівки оснащені зачепами і захопленнями для роботи з різними інструментами і об'єктами . Свободу дій водолазу забезпечують 18 обертових сполук на руках і ногах . Вартість диво – пристрою теж вражає – $ 600 тис .
ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ
Екзоскелети в кіно і книгах
Старше покоління , ще читати паперові книги , познайомилося з ідеєю екзосклетов з двох книг . По-перше , з " Туманності Андромеди " Івана Єфремова ( опублікована в 1957 р ) . У романі описано " стрибучий скелет " , який одягався поверх скафандра і полегшував пересування на планетах з великою силою тяжіння . По- друге – з " Зоряного десанту " Роберта Хайнлайна , який побачив світ у 1959 р .: там вперше описано використання екзоскелета у військових цілях .
Більш молоде покоління може пригадати фільм " Чужі " 1986 р. Там героїня Сігурні Уівер вступає у вирішальний бій з інопланетною нечистю , озброївшись екзоскелетом Caterpillar P -5000 .
У 2008 р виходить на екрани " Залізна людина " . Пригоди чергового персонажа коміксів повністю крутяться навколо екзоскелета , наділеного недосяжними поки властивостями .
Екзоскелет з "Чужих"