Ein halbes Jahrhundert nach Beginn der Arbeiten auf dem Gebiet der Exoskelette sind die ersten Muster dieser Ausrüstung einsatzbereit. Lockheed Martin prahlte kürzlich damit, dass sein HULC-Projekt (Human Universal Load Carrier) nicht nur mit dem Pentagon im Feld getestet wurde, sondern auch serienreif ist. Das Exoskelett HULC wird nun durch mehrere ähnliche Projekte anderer Unternehmen "im Rücken atmen". Aber eine solche Fülle an Designs war nicht immer.
Tatsächlich entstand in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts die Idee, ein Gerät zu entwickeln, das von einer Person getragen werden kann und ihre körperlichen Eigenschaften erheblich verbessert. Bis zu einer gewissen Zeit war es jedoch nur eine andere Vorstellung von Science-Fiction-Autoren. Erst Ende der fünfziger Jahre wurde mit der Entwicklung eines praktisch anwendbaren Systems begonnen. General Electric startete unter der Schirmherrschaft des US-Militärs ein Projekt namens Hardiman. Die technische Aufgabe war gewagt: Das Exoskelett von GE sollte es einem Menschen ermöglichen, mit Lasten von bis zu anderthalbtausend Pfund (rund 680 Kilogramm) zu operieren. Wenn das Projekt erfolgreich abgeschlossen würde, hätte das Hardiman-Exoskelett große Perspektiven. Das Militär beabsichtigte also, neue Technologien zu verwenden, um die Arbeit von Büchsenmachern in der Luftwaffe zu erleichtern. Außerdem seien Nuklearwissenschaftler, Bauherren und Vertreter vieler anderer Branchen „an der Reihe“. Doch auch zehn Jahre nach dem Start des Programms ist es den Ingenieuren von General Electric nicht gelungen, alles Erdachte in Metall zu übersetzen. Mehrere Prototypen wurden gebaut, darunter ein funktionierender mechanischer Arm. Die riesige Klaue des Hardymen wurde hydraulisch angetrieben und konnte 750 Pfund Last (ca. 340 kg) heben. Ausgehend von einem praktikablen „Handschuh“konnte ein zweiter erstellt werden. Aber die Designer standen vor einem anderen Problem. Die mechanischen „Beine“des Exoskeletts wollten nicht richtig funktionieren. Der Hardiman-Prototyp mit einem Arm und zwei Stützbeinen wog weniger als 750 Kilogramm, während die maximale Konstruktionskapazität unter seinem Eigengewicht lag. Aufgrund dieses Gewichts und der Besonderheiten der Zentrierung des Exoskeletts begann beim Heben der Last oft die gesamte Struktur zu vibrieren, was zu einem mehrmaligen Umkippen führte. Mit bitterer Ironie nannten die Autoren des Projekts dieses Phänomen „den mechanischen Tanz des Heiligen Veits“. Egal wie hart die Konstrukteure von General Electric kämpften, sie schafften es nicht, mit der Ausrichtung und den Vibrationen fertig zu werden. Ganz zu Beginn der 70er Jahre wurde das Hardiman-Projekt geschlossen.
In den Folgejahren wurde die Arbeit in Richtung Exoskelette inaktiv. Von Zeit zu Zeit begannen sich verschiedene Organisationen damit zu beschäftigen, aber fast immer blieb das gewünschte Ergebnis aus. Gleichzeitig war der Zweck der Herstellung eines Exoskeletts nicht immer seine militärische Verwendung. In den 70er Jahren entwickelten Mitarbeiter des Massachusetts Institute of Technology ohne großen Erfolg Geräte dieser Klasse, die für die Rehabilitation behinderter Menschen mit Verletzungen des Bewegungsapparates bestimmt waren. Leider haben sich die Ingenieure damals auch beim Synchronisieren der verschiedenen Teile des Anzugs in die Quere gekommen. Es ist zu beachten, dass Exoskelette eine Reihe von charakteristischen Merkmalen aufweisen, die ihre Herstellung nicht gerade erleichtern. Somit erfordert eine signifikante Verbesserung der körperlichen Fähigkeiten des menschlichen Bedieners eine geeignete Energiequelle. Letzteres wiederum erhöht die Abmessungen und das Eigengewicht der gesamten Vorrichtung. Der zweite Haken liegt im Zusammenspiel von Person und Exoskelett. Das Funktionsprinzip solcher Geräte ist wie folgt: Eine Person macht jede Bewegung mit ihrem Arm oder Bein. Spezielle Sensoren, die seinen Gliedmaßen zugeordnet sind, empfangen dieses Signal und übermitteln den entsprechenden Befehl an die Betätigungselemente - hydraulische oder elektrische Mechanismen. Gleichzeitig mit der Ausgabe von Befehlen sorgen dieselben Sensoren dafür, dass die Bewegung der Manipulatoren den Bewegungen des Bedieners entspricht. Neben der Synchronisierung der Bewegungsamplituden stehen Ingenieure vor der Frage des Timings. Der Punkt ist, dass jeder Mechaniker eine bestimmte Reaktionszeit hat. Daher sollte es zum Zweck einer ausreichenden Bequemlichkeit bei der Verwendung des Exoskeletts minimiert werden. Bei kleinen, kompakten Exoskeletten, auf die jetzt Wert gelegt wird, hat die Synchronisation von Mensch- und Maschinenbewegungen einen besonderen Stellenwert. Da das kompakte Exoskelett keine Vergrößerung der Auflagefläche etc. zulässt, können Mechaniker, die keine Zeit haben, sich mit der Person zu bewegen, die Nutzung beeinträchtigen. Zum Beispiel kann eine vorzeitige Bewegung eines mechanischen "Beins" dazu führen, dass eine Person einfach das Gleichgewicht verliert und stürzt. Und das ist bei weitem nicht alle Probleme. Offensichtlich hat das menschliche Bein weniger Freiheitsgrade als die Hand, von Hand und Fingern ganz zu schweigen.
Die neueste Geschichte militärischer Exoskelette begann im Jahr 2000. Dann initiierte die amerikanische Agentur DARPA den Start des EHPA-Programms (Exoskeletons for Human Performance Augmentation – Exoskeletons for Increase Human Performance). Das EHPA-Programm war Teil eines größeren Land Warrior-Projekts, um das Aussehen des Soldaten der Zukunft zu kreieren. Im Jahr 2007 wurde der Land Warrior jedoch abgesagt, sein Exoskelett-Teil wurde jedoch weitergeführt. Ziel des EHPA-Projekts war es, die sog. ein komplettes Exoskelett, das Verstärker für menschliche Arme und Beine enthielt. Gleichzeitig waren keine Waffen oder Reservierungen erforderlich. Den Verantwortlichen von DARPA und dem Pentagon war bewusst, dass der aktuelle Stand der Dinge im Bereich der Exoskelette es schlichtweg nicht zulässt, diese mit zusätzlichen Funktionen auszustatten. Daher impliziert die Leistungsbeschreibung für das EHPA-Programm nur die Möglichkeit, dass ein Soldat in einem Exoskelett eine Last mit einem Gewicht von etwa 100 kg dauerhaft trägt und seine Bewegungsgeschwindigkeit erhöht.
Sacros und die University of Berkeley (USA) sowie die japanische Cyberdyne Systems haben ihren Wunsch geäußert, sich an der Entwicklung neuer Technologien zu beteiligen. Zwölf Jahre sind seit dem Start des Programms vergangen, und in dieser Zeit hat sich die Zusammensetzung der Teilnehmenden verändert. Sacros ist nun Teil des Raytheon-Konzerns, und eine Abteilung der Universität namens Berkeley Bionics wurde zu einer Abteilung von Lockheed Martin. So oder so gibt es jetzt drei Prototypen von Exoskeletten, die im Rahmen des EHPA-Programms erstellt wurden: Lockheed Martin HULC, Cyberdyne HAL und Raytheon XOS.
Das erste der aufgeführten Exoskelette – HULC – erfüllt die DARPA-Anforderungen nicht vollständig. Tatsache ist, dass die 25-Kilogramm-Konstruktion nur ein Rückenstützsystem und mechanische "Beine" enthält. Handunterstützung ist in HULC nicht implementiert. Gleichzeitig werden die körperlichen Fähigkeiten des HULC-Operators dadurch erhöht, dass durch das Rückenstützsystem die meiste Belastung der Arme auf die Kraftelemente des Exoskeletts übertragen wird und letztendlich in den Boden „geht“. Dank des angewandten Systems kann ein Soldat bis zu 90 Kilogramm Fracht transportieren und gleichzeitig eine Ladung erleben, die allen Armeestandards entspricht. Der HULC wird von einem Lithium-Ionen-Akku betrieben, der bis zu acht Stunden hält. Im sparsamen Modus kann eine Person in einem Exoskelett mit einer Geschwindigkeit von 4-5 Kilometern pro Stunde gehen. Die maximal mögliche Geschwindigkeit des HULC beträgt 17-18 km / h, diese Betriebsart des Systems reduziert jedoch die Betriebszeit ab einer Akkuladung erheblich. Künftig verspricht Lockheed Martin, HULC mit Brennstoffzellen auszustatten, deren Kapazität für einen Betriebstag ausreichen wird. Darüber hinaus versprechen die Designer in nachfolgenden Versionen "Roboter" -Hände, die die Fähigkeiten des Exoskelett-Benutzers erheblich steigern werden.
Raytheon hat bisher zwei etwas ähnliche Exoskelette mit den Indizes XOS-1 und XOS-2 vorgestellt. Sie unterscheiden sich in Gewichts- und Größenparametern und damit in einer Reihe praktischer Eigenschaften. Im Gegensatz zum HULC ist die XOS-Familie mit einem Handentlastungssystem ausgestattet. Beide Exoskelette können etwa 80-90 Kilogramm ihres Eigengewichts heben. Es ist bemerkenswert, dass das Design beider XOS es Ihnen ermöglicht, verschiedene Manipulatoren an mechanischen Armen zu installieren. Es sollte beachtet werden, dass XOS-1 und XOS-2 bisher einen erheblichen Stromverbrauch haben. Aus diesem Grund sind sie noch nicht autonom und benötigen eine externe Stromversorgung. Dementsprechend kommen die maximale Reisegeschwindigkeit und die Akkulaufzeit nicht in Frage. Laut Raytheon wird der Bedarf an Kabelstrom jedoch kein Hindernis für den Einsatz von XOS in Lagerhäusern oder Militärstützpunkten sein, wo eine geeignete Stromquelle vorhanden ist.
Das dritte Beispiel des EHPA-Programms ist Cyberdyne HAL. Heute ist die HAL-5-Version relevant. Dieses Exoskelett ist gewissermaßen eine Mischung aus den ersten beiden. Wie der HULC kann er unabhängig verwendet werden - die Batterien halten 2,5-3 Stunden. Mit der XOS-Familie verbindet die Entwicklung von Cyberdyne Systems die „Vollständigkeit“des Designs: Sie umfasst Stützsysteme für Arme und Beine. Die Tragfähigkeit des HAL-5 überschreitet jedoch nicht einige Dutzend Kilogramm. Ähnlich verhält es sich mit den Geschwindigkeitsqualitäten dieser Entwicklung. Tatsache ist, dass japanische Designer sich nicht auf den militärischen Einsatz konzentriert haben, sondern auf die Rehabilitation behinderter Menschen. Offensichtlich benötigen solche Benutzer einfach keine hohe Geschwindigkeit oder Ladekapazität. Wenn das Militär in seinem jetzigen Zustand an HAL-5 interessiert ist, wird es demnach möglich sein, auf seiner Basis ein neues Exoskelett herzustellen, das für den militärischen Einsatz geschärft wird.
Von allen Optionen für vielversprechende Exoskelette, die beim EHPA-Wettbewerb eingereicht wurden, hat bisher nur HULC eine Erprobung in Zusammenarbeit mit dem Militär erreicht. Eine Reihe von Merkmalen anderer Projekte erlauben es noch nicht, mit ihren Feldversuchen zu beginnen. Im September werden mehrere HULC-Kits in Teilen verschickt, um die Eigenschaften des Exoskeletts unter realen Bedingungen zu untersuchen. Wenn alles glatt läuft, wird die Großserienproduktion 2014-15 beginnen.
In der Zwischenzeit werden Wissenschaftler und Designer bessere Konzepte und Designs haben. Die am meisten erwartete Innovation im Bereich der Exoskelette sind Roboterhandschuhe. Die existierenden Manipulatoren sind noch nicht sehr bequem für die Verwendung von Werkzeugen und ähnlichen Gegenständen, die für den manuellen Gebrauch bestimmt sind. Darüber hinaus ist die Herstellung solcher Handschuhe mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden. Im Allgemeinen ähneln sie denen anderer Exoskelettbaugruppen, aber in diesem Fall werden die Synchronisationsprobleme durch eine große Anzahl mechanischer Elemente, Bewegungsmerkmale der menschlichen Hand usw. Der nächste Schritt in der Entwicklung von Exoskeletten wird die Schaffung einer neuroelektronischen Schnittstelle sein. Jetzt wird die Bewegung der Mechanik durch Sensoren und Servoantriebe gesteuert. Bequemer für Ingenieure und Wissenschaftler ist die Verwendung eines Kontrollsystems mit Elektroden, die menschliche Nervenimpulse entfernen. Ein solches System wird unter anderem die Reaktionszeit von Mechanismen verkürzen und dadurch die Effizienz des gesamten Exoskeletts erhöhen.
In Bezug auf die praktische Anwendung haben sich die Ansichten darüber im letzten halben Jahrhundert kaum geändert. Das Militär gilt nach wie vor als Hauptnutzer vielversprechender Systeme. Sie können Exoskelette zum Be- und Entladen, zur Vorbereitung von Munition und darüber hinaus in einer Kampfsituation zur Verbesserung der Fähigkeiten von Kämpfern verwenden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Tragfähigkeit von Exoskeletten nicht nur für das Militär nützlich sein wird. Der weit verbreitete Einsatz von Technologien, die es einer Person ermöglichen, ihre körperlichen Fähigkeiten erheblich zu steigern, kann das Gesicht der gesamten Logistik und des Frachttransports verändern. Zum Beispiel wird die Zeit für das Beladen eines Frachtaufliegers ohne Gabelstapler um mehrere zehn Prozent verkürzt, was die Effizienz des gesamten Transportsystems erhöht. Schließlich werden nervengesteuerte Exoskelette dazu beitragen, dass Menschen mit Behinderungen wieder ein erfülltes Leben führen können. Darüber hinaus werden große Hoffnungen auf die neuroelektronische Schnittstelle gesetzt: bei Wirbelsäulenverletzungen etc. Bei Verletzungen können Signale vom Gehirn einen bestimmten Bereich des Körpers nicht erreichen. Wenn wir sie im geschädigten Bereich des Nervs „abfangen“und an das Exoskelett-Kontrollsystem senden, ist die Person nicht mehr an einen Rollstuhl oder ein Bett gebunden. Somit können militärische Entwicklungen nicht nur das Leben des Militärs wieder verbessern. Gerade jetzt, wenn Sie große Pläne schmieden, sollten Sie sich an den Probebetrieb des Lockheed Martin HULC-Exoskeletts erinnern, der erst im Herbst beginnen wird. Anhand der Ergebnisse lassen sich sowohl die Perspektiven der gesamten Branche als auch das Interesse potenzieller Nutzer daran beurteilen.
