Сила всегда высоко ценилась как в животном мире, так и в человеческом обществе. И тем, кто с рождения ею обделен или утратил в результате травмы, приходится несладко. И речь даже не о том, чтобы толкнуть штангу весом в 100 кг – для этого придется провести в спортивном зале многие годы, – после тяжелых травм для многих и сумка с продуктами становится неподъемной ношей. Наука упорно пытается разрешить эту проблему и дать человеку новые физические возможности.
Одним из решений стал экзоскелет. Это греческое слово с приставкой «экзо» – «снаружи» – и корнем, обозначающим буквально «каркас». То есть, «опорный каркас, находящийся вне тела». Решение вполне логичное: если силы собственных мышц не хватает, значит, надо добавить. Ну, а чтобы хрупкий человеческий костяк уцелел под такими нагрузками, и его следует укрепить внешним из более прочного материала.
От вымысла к реальности
А началось все с литературного вымысла. Первым упоминанием об экзоскелете стала фантастическая книжка для подростков «Том Свифт и его «Джетмарин», вышедшая в 1954 году. Автор романа Джон Элмквист придумал для своего героя скафандр «Толстяк»: «Корпус был яйцеобразным, пяти футов в диаметре по центру. Внутри располагалось кресло оператора, добраться до которого можно было через дверцу, снабженную толстой кварцевой плитой для лучшего обзора. Скафандр был оснащен множеством инструментов». По задумке отца главного героя, эта конструкция должна была служить спасательной капсулой для подводной лодки «Джетмарин», но Том усовершенствовал ее, добавив «ноги» и «руки», управляемые изнутри по электропроводке – то есть, фактически, превратив батискаф в настоящий скафандр-экзоскелет. Для облегчения сохранения равновесия «Толстяк» был оснащен гироскопом – простое и довольно элегантное с научной точки зрения решение.
Вторым этой темы коснулся советский писатель-фантаст Иван Ефремов. В 1957 году в его романе «Туманность Андромеды» герои оказываются в плену «железной звезды». Для передвижения по планете, где царила сила тяжести, превышающую земную в несколько раз, они использовали «прыгающие скелеты» – стальные, обшитые кожей каркасы с электродвигателем, пружинами и амортизаторами, надевавшиеся поверх скафандров. Ну, а классическую картину боевого скафандра, массово позаимствованную впоследствии другими авторами книг и компьютерных игр, нарисовал через два года после Ефремова Роберт Хайнлайн в своем «Звездном десанте». Он же описал и основной принцип работы этого сложного механизма:
«Внутри доспехов находятся сотни рецепторов, реагирующих на давление. Ты двигаешь рукой, возникает давление на рецепторы. Скафандр чувствует его, усиливает и двигается вместе с твоей рукой, чтобы снять давление с отдавших приказ рецепторов. Скафандр запрограммирован на такую обратную связь и не только точно повторяет каждое твое движение, но и значительно усиливает его.
Однако сила его «мышц» контролируется. Самое главное, что при этом совершенно не приходится заботиться об этом контроле. Ты прыгаешь, прыгает и скафандр – конечно, гораздо выше, чем ты прыгнул бы без него: в момент прыжка включаются реактивные двигатели, многократно усиливающие импульс, полученный от «ножных мышц» скафандра. Этот мощный дополнительный толчок придается по линии, проходящей через твой центр тяжести. И таким образом ты спокойно перепрыгиваешь через стоящий рядом дом».
Труды фантастов заинтересовали ученых – ведь экзоскелет обладает рядом серьезных преимуществ: он способен действовать на пересеченной местности и в тесных коридорах, где применение колесной и гусеничной техники просто невозможно. А военных подкупала перспектива повесить на солдата гораздо больше брони и вооружения, чем может поднять человек. Так что первые прототипы не на много отстали от литературного вымысла. Уже в тех же 1960-х General Electric совместно с министерством обороны США создали первый прототип экзоскелетной конструкции, названный Hardiman. Способный оперировать грузами до 340 кг весом (при этом усилие, прикладываемое оператором, составляло всего 4,5 кг!), он был предназначен для работы с крупнокалиберными боеприпасами в арсеналах, а в перспективе и для работ под водой, в космосе, на атомных электростанциях. К сожалению, в те годы системы контроля и автоматизации были еще недостаточно развиты – добиться полной и интуитивной управляемости массивным агрегатом конструкторам так и не удалось. Испытания, проведенные в 1965 году, показали отсутствие синхронизации работы верхней и нижней частей костюма. То есть оператор мог двигать только руками или только ногами. При попытке сделать шаг с одновременным жестом рукой начиналось неконтролируемое движение (инженеры в шутку обозвали его «механической пляской святого Витта») – что при его силе и массе представляло серьезную опасность. К 1970 году досконально отладить удалось работу только одного манипулятора. Вторым недостатком была признана масса агрегата, вдвое превышающая его грузоподъемность. Так что в начале 1970-х годов проект был положен на полку. Хотя, справедливости ради, отметим: Hardiman был не только первым прототипом экзоскелета, но и моделью, чью грузоподъемность до сих пор так и не удалось повторить – самые смелые современные проекты претендуют на работу с весом до 100 кг, что втрое меньше чем у «первенца» от General Electric.
Но Hardiman не остался незаслуженно забытым – его очертания и принцип работы вполне угадываются в экзоскелете-погрузчике, продемонстрированном в фильме «Чужие», который вышел на экраны в 1986 году. Экипаж с его помощью перемещает грузы на космическом корабле, и в нем же главная героиня вступает в поединок с инопланетным чудовищем. Это произвело неизгладимое впечатление не только на благодарных зрителей, но и на конструкторов японской компании Activelink. Они создали экзоскелет Power Loader, вполне готовый выполнять аналогичную работу: 18 мощных электродвигателей позволяют легко манипулировать грузами до 100 кг весом, а управление организовано практически интуитивно. К сожалению, полностью избежать недостатков и тут не удалось – как и фантастический прототип, этот экзоскелет оказался массивной и неуклюжей конструкцией весом в 230 кг.
Зато Power Loader вполне может претендовать на звание первого экзоскелета, который применили для реальной работы в экстремальных условиях. Дело в том, что его создатели заранее предусмотрели использование своей конструкции совместно с костюмом противорадиационной защиты. Это позволило применить несколько прототипов при ликвидации аварии на атомной электростанции в Фукусиме. Надо отметить, что попытка была признана неудачной – громоздкий и тяжелый костюм оказался крайне неудобным для такой работы. Но компания (кстати, дочернее предприятие Panasonic) извлекла из такого полевого опыта ценные уроки и продолжила исследования. Новый прототип, к разработке которого подключились уже и специалисты в области ядерной энергетики из Japan Atomic Power Company, весьма заинтересованные идеей эксплуатировать экзоскелет на атомных электростанциях, должен стать гораздо компактней и легче. Сами конструкторы так описали требования к будущему своему детищу: «Мы хотим сделать Power Loader способным к переносу 50–60 кг груза, при этом он должен оставаться способным передвигаться с максимально возможной скоростью. Его «ноги», рассчитанные на более высокие нагрузки, могут использоваться для установки на них какого-нибудь тяжелого дополнительного оборудования, к примеру, антирадиационной защиты. В каждой подошве, на которой стоит человек, есть датчики усилия, способные разложить усилие, прикладываемое человеком, по шести векторам. Данные от этих датчиков используются для управления тремя суставами каждой конечности, равномерно распределяя нагрузку от переносимого груза».
Намного более компактный новый образец уже способен свободно поднимать и перемещать по 30 кг в каждом манипуляторе, а в будущем планируется довести общую полезную грузоподъемность до 100 кг, при собственном весе всего около 22. Ну а для более мирных целей Panasonic анонсировал к выпуску в 2015 году облегченную модель – Power Loader Light Ninja, – рассчитанную всего на 40 кг. Этот экзоскелет, ожидаемая стоимость которого составит около 5–7 тыс. долларов США, будет предназначен для помощи больным с нарушениями опорно-двигательного аппарата (скорость его движения и довольно солидная грузоподъемность позволит инвалидам конкурировать даже со здоровыми рабочими) и для работников тяжелого физического труда.
Впрочем, ученые из Activelink не постеснялись замахнуться на и космические дали, заявив о начале разработок специальных экзоскелетов Power Loader для скафандров.
Постепенно экзоскелеты перестают быть экзотикой – их можно купить уже даже в виде… детской игрушки! Японская компания Sakakibara Kikai давно уже изготовила «костюм», который многократно использовала в различных акциях, на презентациях, и выставках. Поначалу они даже не задумывались над продажей – все-таки цена его откровенно «кусалась». Инженеры не верили, что за подобную игрушку (он не шагает, а ездит на замаскированных фальшивыми «ногами» колесах, а манипуляторы несут скорее декоративную функцию) кто-то готов выложить более 20 тыс. долларов. Однако впечатляющий внешний вид и простота управления, доступная даже ребенку, вызвали нешуточный интерес. Так что, забыв об обещании не пускать модель в серию, Sakakibara Kikai запустили все-таки Kids Walker в производство. И не прогадали – уже на середину 2011 года нашлось целых 8 покупателей (скорее всего, на данный момент это количество значительно выросло). А переделывать «ноги» они так и не стали, просто из соображений безопасности – никто не стал рисковать доверять трехлетнему ребенку костюмчик весом в 180 кг, в котором вдобавок можно было бы что-то давить…
В помощь военным
Не обошли своим интересом тему экзоскелетов и военные. Нарисованные Робертом Хайнлайном картины битв на чужих планетах и достоинств пехоты в оснащенных сервоприводами скафандрах многим из них не давали спать. Так что неудивительно, что к разработкам активно подключились и лаборатории, традиционно занимающиеся проектированием вооружений. Исследователи из компании Raytheon в Солт-Лейк-Сити работают над проектом роботизированного экзоскелета еще с 2000 года, помогают им специалисты из Sarcos, прославившиеся, к слову, созданием роботов-динозавров для фильма «Парк юрского периода».
Что примечательно, так это возможность данного аппарата (названного XOS) работать по заданной программе независимо от оператора – то есть он может использоваться просто как человекообразный робот и, при необходимости, доставить даже потерявшего сознание оператора в безопасное место. В остальном принципы работы остались те же: сенсоры регистрируют мышечные сокращения и передают сигналы двигателям. К сожалению, до совершенства и тут далеко: первый прототип костюма реагировал на движения отнюдь не мгновенно, а с изрядной задержкой. Да и у второго эту проблему до конца устранить не получилось, хотя подготовленный оператор вполне способен с ней справиться. На презентации, приуроченной к выходу фильма «Железный человек», актер Кларк Грегг, сыгравший в двух частях фильма агента Фила Колсона, и один из инженеров Raytheon, Рекс Джеймсон, бродили по наклонной плоскости, кидали разные предметы и лупили боксерскую грушу. Реакция новинки, продемонстрированная ими, оказалась вполне приемлемой. Да и упражнения с грузом более 90 кг по 500 раз за подход произвели на зрителей неизгладимое впечатление.
Хотя самый существенный недостаток так пока и не устранен – у обоих прототипов XOS пока что отсутствует автономное питание. «Мышцами» этого экзосклетета являются гидравлические приводы высокого давления, а вот энергия поступает по проводам извне. Так что пока при всех своих выдающихся показателях этот костюм пригоден только для работы на складах. И хотя вариант питания от размещенной на вертолете мобильной силовой установки тоже уже разработан, о свободе движений говорить пока рано.
Но ученые активно ведут работы над разрешением этой проблемы по заказу вооруженных сил США, выделивших им на 2 года 10 млн. долларов. Так что вице-президент Raytheon Sarcos Фрейзер Смит убежден: «Экзоскелеты появятся на театре военных действий примерно через 5 лет в привязанной версии и, возможно, через 3–5 лет после этого – уже в автономном варианте».
Причем разработки военных экзоскелетов на батареях уже ведутся. Так, американская компания Lockheed Martin, в сотрудничестве с известной своими электронными протезами и медицинскими экзоскелетами Ekso Bionics, уже приступила к полевым испытаниям системы HULC. Созвучная по своему имени с именем супергероя Халка, конструкция не имеет ручных манипуляторов, зато ее мощная рама и электро-гидравлический привод ног позволяют без значительных усилий переносить груз весом до 90 кг на расстояние до 20 км. В конце 2011 года систему основательно погоняли с грузом и без по полигонам, проверив на устойчивость к факторам окружающей среды: HULC с честью выдержал и песок, и высокие температуры, и влажность с дождем. Кроме того, ученые из Lockheed Martin не поленились просчитать и эффективность своего изобретения, тщательно проверив затраты усилий солдат при переноске грузов с ним и без него. Предполагается, что эта модель станет отличным помощником военным в труднодоступной местности.
Довольно интересную конструкцию представляет собой российский пассивный экзоскелет ЭкзоАтлет-П. Дело в том, что эта модель вообще не имеет каких либо двигателей и источников питания! 12-килограммовая конструкция просто перераспределяет вес так, чтобы максимально снизить нагрузку на своего носителя. Благодаря этому оператор может переносить вес в 70–100 кг. Конечно, человеку придется прилагать определенные усилия, но только для движения вперед: никакой нагрузки на позвоночник и ноги просто нет – она приходится на опорную раму. Разработкой заинтересовались военные внутренних войск и МЧС России. В частности, уже готов прототип с креплением для штурмового щита весом 35 кг. Если раньше снаряженный им боец не мог пользоваться оружием, так как тащил эту громоздкую конструкцию в руках, то теперь он гораздо более мобилен – весь вес принимает на себя экзоскелет. Кстати, команда ученых, собранная на базе НИИ Механики МГУ в проекте ExoAtlet, весьма успешна и в области реабилитации людей с нарушениями локомоторных функций: их разработки, к тестированию которых подключают инвалидов-добровольцев, ни в чем не уступают западным и восточным аналогам.
На мирном поприще
Но, как это ни удивительно, наибольших успехов создатели экзоскелетов добились на мирном поприще. Первой ласточкой стала соратница Lockheed Martin, компания Ekso Bionics, применившая свои научные мощности в области реабилитации раненых солдат. Ее система крепится на теле и позволяет утратившим подвижность людям снова ходить. Активное участие в испытаниях принимают ветераны. Гэри Линфут, получивший в результате жесткой посадки вертолета травму позвоночника, самостоятельно пришел на Саммит ветеранов по инвестициям и технологиям в Калифорнии для того, чтобы на личном примере доказать полезность таких разработок. Этот экзоскелет пока несовершенен – он вдвое медленней здорового человека и пока что требует использования костылей. Но для годами прикованного травмой к койке человека это огромный прогресс. Ekso Bionics уже начала продажи своего изобретения. Для частных лиц их разработка откровенно не дешева – цена одного экземпляра превышает 100 тыс. долларов, так что пока число счастливых обладателей не превысило сотни человек. Зато благодаря отличному программному обеспечению, позволяющему использовать этот экзоскелет как реабилитационный прибор, им весьма заинтересовались клиники. Ведь это только безнадежно парализованным необходимо пользоваться таким устройством постоянно, а для реабилитации после длительных болезней или травм порой просто достаточно пройти восстановительный курс, что и сделали более 1000 пациентов во всем мире.
Конкуренцию американским специалистам составили израильские – к слову, они уже получили разрешение на использование своей модели в США. Их медицинский экзоскелет ReWalk (от английского «снова пойти») завоевал гораздо большую популярность по причине более низкой цены – 60–80 тыс. долларов в зависимости от модификации. Инженеры из Йокнеам пошли по наиболее простой схеме: самый дешевый – предназначенный для индивидуального пользования – экзоскелет работает только по заранее заданным программам. Расположенный в его спинной части компьютер полностью управляет всеми движениями: пользователю достаточно просто включить один из трех режимов – «идти», «стоять» или «сесть» – и выбрать направление. На первых порах ему помогают профессиональные терапевты-физиологи и техники, обучающие всем необходимым операциям. А наиболее «продвинутые» модели позволяют обходиться и без пульта – роботизированная система реагирует на перемену положения бедер и смещение центра тяжести тела.
Как видим, цены пока «кусаются», а совершенство еще не достигнуто, но прогресс не стоит на месте: первые реально действующие модели экзоскелетов уже вполне можно найти в продаже. Японская компания Cyberdyne, специализирующаяся на аппаратах для реабилитации больных, перешла от обычных медицинских тренажеров к гораздо более сложным и совершенным устройствам. Уже сейчас вполне доступны покупателям по всему миру усилители отдельных суставов, просто надеваемые на руки или ноги и обеспечивающие им отличную подвижность благодаря литиевой батарее и мощным электродвигателям под управлением микрокомпьютера. А модели HAL 3 и HAL 5 (название является сокращением от Hybrid Assistive Limb – «гибридная вспомогательная конечность») могут не только восстановить двигательные функции ног (а HAL 5 еще рук и торса), но и значительно усилить их! Грузоподъемность полного варианта составляет 40 кг, при весе всего в 23 кг. Ну, а облегченная модель, лишенная «рук», и вовсе весит 15 кг. Автономности такого устройства хватает почти на три часа работы. Сейчас компания усиленно трудится над специальными модификациями для спасателей (с повышенной защищенностью) и сверхлегкими усилителями для поясницы (для облегчения работы тем, кому приходится по долгу службы много наклоняться). Впрочем, и медицинские, и гражданские модели пока пробиваются через бюрократические тернии сертификации – на сегодняшний день единственной страной, кроме самой Японии, разрешившей использование экзоскелетов HAL, стала Германия. А ведь стоит базовая комплектация всего 4200 долларов – что совершенно несопоставимо с 5- или 6-значными суммами за другие модели, да еще и гораздо менее функциональными. Так что лоббирование интересов собственных производителей и не пускает Cyberdyne на мировые рынки, да и возможности этой молодой компании довольно ограничены – пока что в год производится всего около 400 экзоскелетов, в первую очередь – для внутреннего рынка.
Таким образом, большинство трудностей в создании устройства для придания человеку суперсилы уже преодолены – надежные системы контроля разработаны; современные материалы позволяют сделать конструкцию достаточно легкой; литиевые батареи обеспечивают новейшие модели запасом энергии на 2–3 часа, что уже вполне пригодно для настоящей работы. Самую большую активность проявляют медики, военные и владельцы крупных промышленных предприятий. Ведь став достаточно дешевым и надежным, экзоскелет вполне способен многократно увеличить работоспособность докеров, монтажников и грузчиков, вернуть подвижность инвалидам и повысить мобильность, защищенность и боевую мощь солдат. Да и прогресс в смежных областях науки обнадеживает. Уже создаются топливные элементы, способные стать более эффективной заменой электрическим батареям, идут активные исследования различных прототипов искусственных мышц, которые позволят еще сильнее снизить вес и повысить скорость реакции. Да и частные энтузиасты не дремлют. Теперь для того чтобы сконструировать экзоскелет, вовсе не обязательно быть мультимиллионером или владеть собственным конструкторским бюро. Можно взять пример с Джеймса Хобсона – простого парня из Канады, который справился с этой задачей за лето у себя в гараже. Пара пневматических цилиндров на каждую руку в качестве мышц, сварная рама, скопированная с туристического рюкзака, но сделанная для надежности из стали, и сами конечности из квадратного профиля, соединенные с рамой шарнирами – вот и все дела. К сожалению, талантливый слесарь не дока в электронике, и на создание обратной связи его талантов не хватило, так что управляется конструкция пультом, расположенным на одной из «рук». Но свои 78 кг он таскает с легкостью (и это еще не предел – конструктор пока не рисковал давать полное давление, ограничившись половинным).
Как видим, проблемы, над которыми годами бились конструкторы в 1960-х, на нынешнем уровне развития технологий можно решить в собственном гараже. Так что, вполне возможно, появления на наших улицах настоящего «железного человека» можно ждать уже завтра.
Считать, что первенцами в области разработки экзоскелетов были только американцы и японцы, в корне не верно. Среди изобретателей хватает и славянских имен. Так, первый шагающий экзоскелет на пневматическом приводе был создан Миомиром Вукобратовичем, сербским ученым, специалистом в области биомеханики и робототехники, в Белграде в 1969 году. То есть, когда в США разочарованно закрывали проект Hardiman, в Югославии создавали аппарат, дававший надежду и возможности людям с параличом нижних конечностей. Усовершенствованный опытный образец этого устройства имеется в экспозиции Политехнического музея в Москве, где работы в этой области продолжались до начало 1990-х.
