21.05.2010 - Железный человек Фантастика и реальность

Технологии, показанные в фильме "Железный человек" возможны к применению в самом ближайшем будущем.

Вы скажете фантастика.  Но наука и техника не стоит на месте. Уже в настоящее время целый ряд технологий способны продемонстрировать нам некоторые уникальные способности "Железного человека". 

Второй фильм про Железного Человека, одного из самых высокотехнологичных персонажей в истории мирового кино, уже привлек огромный интерес зрителей. Iron Man, безусловно, фантастический персонаж. Но так уж ли он нереален?

К таким технологиям можно отнести создание экзоскелета и искусственных мышц, соременные сверхпрочные материалы, а так же компактные источники питания, компьютерные технологии и т.д.

 Экзоскелет

 Экзоскелет — устройство, предназначенное для усиления мускульных усилий человека за счёт внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Главное направление разработки экзоскелетов, по всей видимости, военное (стремление к сочетанию огневой мощи танка, а значит, большого веса оружия и защиты, с подвижностью и размерами человека).

Вот такие экзоскелеты в будущем смогут превратить обычного солдата в смертельную машину, подобную "терминатору".

 

12 ноября 2007 американская компания Рейтеон (Raytheon), крупный поставщик военного ведомства США, купила компанию Саркос (Sarcos).
Sacros занимается разработкой робототехники, исследует и развивает технологии в передовой области микроэлектромеханических систем (micro-electro mechanical systems). Вместе с Sarcos они получили огромный научно-исследовательский потенциал в сфере технологий робототехники. В течение многих лет, Sarcos работал для вооруженных сил США на разработкой экзоскелетов, которые радикально повышают силу солдат.
В Рейтон работает 73 000 служащих по всему миру. В 2006 году было произведено продаж на 23.3 миллиарда долларов. Более 90% доходов компании приходится на оборонные заказы. Компания обеспечивает военные силы США современной электроникой, системами командования, коммуникации и интеллектуального контроля. Скоро к этому списку может прибавиться и обеспечение роботами.

Работа над проектом роботизированного экзоскелета идёт аж с 2000 года. Сейчас руководит этим делом американская компания Raytheon, занимающаяся в основном разработкой и созданием продуктов для оборонной сферы. Однако начала заниматься проектом другая фирма — Sarcos, область интересов которой — робототехника и микроэлектроника. Эта организация давно известна по одному из ранних экзоскелетов и антропоморфному Sarcosman. Кроме того, компания прославилась созданием роботов-динозавров для фильма "Парк юрского периода" (Jurassic Park). Пару лет назад в Сети — в новостях и блогах — появились слухи о том, что компания Sarcos планирует выпускать с этого года на рынок военной техники роботизированные костюмы. Но, как это почти всегда бывает со всякими ультрапрогрессивными технологическими замыслами, дата выхода оказалась чересчур оптимистичной. В конце 2007 года Raytheon купила Sarcos, но делу разработки экзоскелета это, кажется, не помешало. Правда, диковину выпускать в серийном масштабе не стали, но зато недавно представили публике. "Идеология" новой машины такая же, как и у прочих аналогичных устройств. У неё есть сенсоры, регистрирующие мышечные сокращения, и есть актуаторы. Соответственно первые сигнализируют, действие каких мышц нужно сымитировать. А моторы быстро реагируют на поступающие сигналы. Без каких-либо мучений Рекс Джеймсон (Rex Jameson) — гражданин спортивный, но не качок — в этом "скелете" поднимает груз весом в 200 фунтов — почти 91 килограмм! Хватать тяжёлые грузы можно только посредством специально приделываемых крюков — пока что отдельных "усилителей" для ладоней и пальцев не сконструировано. Но никто и не сообщает, запланированы ли они вообще. Естественно, происходит "улучшенная" имитация: двигатели совершают б?льшую работу, чем мышцы. В итоге получается существенное усиление производительности человека, "закованного" в техноскелет. Экзоскелет компании Raytheon делает это просто феноменальным образом, увеличивая силу сидящего внутри него человека в 20 раз! О подробностях футуристической конструкции разработчики мало чего сообщают. До того как эта штуковина будет производиться массово, многое, конечно, будет держаться в тайне — чтобы конкуренты не узнали секретов и чтобы потом что-то можно было спокойно запатентовать. Так что сейчас по экономическим и юридическим соображениям райтеоновцам рано заявлять о достижениях. Да и сглазить можно, в конце-то концов. Но то, что было показано, просто потрясает! На представлении оператором экзоскелета был Рекс Джеймсон, инженер по испытаниям из Raytheon. Стивен Якобсен (Stephen C. Jacobsen), директор Sarcos и руководитель проекта, сообщил, что изобретение найдёт своё место в самых разнообразных сферах, в том числе и в мирной жизни. И не только для подмоги грузчикам, но и для помощи людям с ограниченными физическими возможностями. Без какого-либо серьёзного напряжения Рекс таскал всякие тяжести, а также бродил по наклонной плоскости, кидался разными предметами и лупил боксёрскую грушу. Особенно впечатляют физические упражнения с нагрузкой весом больше 90 килограммов — 500 повторов за один подход. И всё — без лишнего перенапряжения. "Это скорее может наскучить, чем утомить!" — поделился впечатлениями инженер. У текущей версии экзоскелета есть две беды. Нет-нет, не те две, а другие. Первая — отсутствие автономного источника питания: для снабжения конструкции требуется подсоединять к ней толстенный кабель, само собой, ограничивающий свободу передвижения. Вторая — недостаточная ёмкость батареи: заряда хватило всего на полчаса шоу. Кроме того, как признался мистер Джеймсон, аппарат выглядит более "изящным", чем он есть на самом деле. Из-за того что он реагирует на движения не мгновенно, а с некоторой незначительной задержкой, что вызывает некоторое дополнительное мышечное напряжение у оператора. Но это дело привычки. Конечно, задержка мешает идеально управлять экзоскелетом. К счастью, даже у прототипа её длительность хоть и немного заметна, но не критичная. По крайней мере, как говорят специалисты, столь малая её величина, как в данном аппарате, прежде не была достигнута в похожей технике. По всей видимости, Sarcos должна довольно быстро расправиться с этими проблемами. Как-никак работу компания нынче ведёт по заказу вооружённых сил США, с которыми заключила двухлетний контракт на $10 миллионов. Агрегат можно будет использовать как для проведения боевых действий и спецопераций, так и для разгрузки-погрузки боеприпасов и громоздкой военной техники, которая по натуре своей лёгкостью никогда не отличалась. Компания работает не только над повышением эффективности робота, оптимизацией его энергозатрат и увеличением ёмкости батарей, но и над снижением стоимости конструкции. Во сколько зелёных, например, денег может влететь один аппарат заказчику — пока не сообщается, но разработчики собираются довести (вероятно, снизить) цену до "стоимости небольшого автомобиля" (фото John B. Carnett). Компания работает не только над повышением эффективности робота, оптимизацией его энергозатрат и увеличением ёмкости батарей, но и над снижением стоимости конструкции. Во сколько зелёных, например, денег может влететь один аппарат заказчику — пока не сообщается, но разработчики собираются довести (вероятно, снизить) цену до "стоимости небольшого автомобиля" (фото John B. Carnett). Судя по всему, сейчас на всём белом свете на роль супергероя в суперкостюме может сразу претендовать не более одного человека — по количеству действующих прототипов экзоскелета… Конечно, пройдёт несколько лет, и райтеоновские (а может, и чьи-нибудь ещё) экзоскелеты станут обычным делом в армейском вооружении. Будем надеяться, что это произойдёт в очень скором времени. И заодно верить, что всё-таки инновация найдёт своё место в арсенале средств, которые пригодятся не столько для ведения эффективной войны, сколько ради эффективного сохранения мира.

Экспериментальный аппарат, построенный Джекобом Розеном (Jacob Rosen) и его коллегами из Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC), от экзоскелетов прошлых отличают как минимум два принципиальных нововведения.

Во-первых, это возможность перемещения конечностей во всех плоскостях – в новом экзоскелете она такова, что обеспечивает человеку 95% от природного диапазона действий, тогда как другие машины такого рода ограничивали подвижность сильнее.

Во-вторых, и это главное, приводы нового аппарата управляются нейронными сигналами владельца! В то время как в прежних экзоскелетах инженеры использовали следящий сервопривод, обнаруживающий усилие рук (или ног) человека (или слабое их перемещение) и затем умножающий его в энное число раз.

Розен же полагает, что настоящего чувства единения человека и машины можно добиться, только если силовые приводы будут смещать железные конечности едва ли не раньше, чем начнут напрягаться живые мышцы. Новая опытная разработка — Exoskeleton Prototype 3 (EXO-UL3) — и призвана отработать на практике такую систему управления.

Этот экзоскелет для рук закреплён пока на стене. Для большей безопасности — приводы всё же довольно мощные, да и вес машины не мал. Но в перспективе американские специалисты хотят построить полностью носимый вариант.

Работает же система так. "Желание" человека сместить куда-либо руку (плечо, кисть...) машина обнаруживает благодаря неинвазивной поверхностной электромиографии — набору датчиков, снимающих биотоки, командующие мышцами.

Естественную неуловимую глазом задержку между появлением первых миоэлектрических сигналов и фактическим началом движения той или иной мышцы компьютер использует, чтобы успеть вычислить предполагаемое смещение руки, применяя свою цифровую модель человеческой конечности (дополнительно задействуется обратная связь от датчиков фактической позиции и скорости частей машины).

В результате приводы костюма-робота срабатывают абсолютно синхронно с сокращениями мышц и "давят" в ту сторону, в какую носитель аппарата желает согнуть свою руку. Потому человеку кажется, что EXO-UL3 — продолжение его тела.

Правда, пока эта система управления (авторы робота называют её "биопорт") — сырая. Группа профессора Розена как раз работает над её отработкой и настройкой. Но и первые результаты вполне обнадёживают.

Любопытно, что EXO-UL3 (вернее, те машины, в которые он предположительно эволюционирует) Джекоб мечтает увидеть не на поле брани, а в госпиталях или даже домах пациентов. Он говорит, что чувствительный к миотокам костюм способен усиливать слабые мышцы людей, страдающих нейродегенеративными заболеваниями, переживших инсульт, и так далее.

Экзоскелет мог бы не только облегчить таким больным жизнь, но и посодействовал бы их реабилитации, служа хорошим тренажёром. Вместе с тем машина может быть выполнена в одностороннем варианте.

При инсульте страдает обычно половина моторной коры мозга, — поясняют исследователи, — а восстановление функций парализованной половины тела зависит и от гибкости коры, и от изнурительных тренировок.

Заметим, Джекоб — один из немногих инженеров, "толкающих" экзоскелеты в область помощи полностью или частично парализованным пациентам, старикам (посмотрите на новейшие киберноги Honda да "многосерийный" HAL) и рассуждающих о потенциале таких систем в области реабилитации инвалидов (тут можно вспомнить разве что "самоходный" Lokomat).

Некоторые подробности этой работы можно найти в пресс-релизе университета.

Разнообразные варианты экзоскелетов уже не раз появлялись на публике. Однако ни один из них не был пущен в серийное производство. Причины достаточно тривиальны: высокая стоимость готовых «силовых костюмов» и несовершенство технологий, из-за чего экзоскелеты получались слишком громоздкими.

Самым оптимальным по компактности, автономности и стоимости на сегодняшний день оставался японский экзоскелет HAL-5 (Hybrid Assistive Limb), созданный инженером Йошиюки Санкая (Yoshiyuki Sankai) из университета города Цукуба. Как сообщили конструкторы университета, разрабатывавшийся ими 10 лет экзоскелет полностью готов к серийному производству. В 2007 году первые роботизованные костюмы появятся на рынке.

Первоначально планируется выпустить в 2007 году 20 экзоскелетов, в 2008 - уже от 400 до 500 их штук. Цена на HAL-5 оказалась выше ранее заявленной (около $15 тыс.) - от $42273 до $59182 в зависимости от модификаций. Однако возможна аренда экзоскелета всего за $600 в месяц.

Конструктивно HAL-5 представляет собой классический экзоскелет. Это облегченный механический костюм с многочисленными датчиками, который человек надевает на себя.

Костюм содержит ряд электрических приводов, которые позволяют поднимать до ста килограмм, при этом для человека такая нагрузка окажется незаметной – она ложится на экзоскелет, человек оказывает лишь «управляющее» воздействие. Кроме поднятия тяжестей, экзоскелет, например, помогает облегчить жизнь инвалидам.

1 | 2 | 3 | 4 |

Экзоскелет HAL-5 в действии  

Искусственные мышцы

Углеродные нанотрубки сегодня рассматриваются учеными и исследователями в качестве основы для электроники нового поколения, в разы более скоростной, нежели современная кремниевая. Этому поспособствуют уникальные свойства подобных наноструктур. Однако углеродные нанотрубки обладают еще и уникальными физико-механическими свойствами, что позволяет создавать на их основе прочнейшие соединения, которые к тому же являются и чрезвычайно легкими.

Одно из интереснейших применений прочности и легкости нанотрубок может стать изготовление на их основе искусственных мышц. В этом случае появляется возможность формирования структуры, более прочной, нежели сталь, очень легкой, и что не менее главное – более эластичной, нежели резина. Столь необычным применение углеродных нанотрубок заинтересовался директор института нанотехнологий (NanoTech Institute) при Техасском Университете Далласа (University of Texas at Dallas), Богман (Baughman). На первых порах исследователь рассматривал возможность создания искусственных мышц на основе полимерных материалов, но затем переключил свое внимание на углеродные нанотрубки.

На первом этапе своих исследований Богману удалось изготовить пучок с произвольным расположением волокон нанотрубок, после чего основной целью работы являлось получение более правильной структуры волокон. Последним достижением ученого стало создание мышечной структуры, изготовленной из пучка вертикально ориентированных углеродных нанотрубок. Что интересно, управление искусственными мышцами осуществляется при помощи электрических сигналов – точно также, как функционирует «живая» мышечная ткань. В данном случае используется свойство углеродных нанотрубок, при прохождении электрического тока, отталкиваться или притягиваться друг к другу, в зависимости от их структуры.

Что еще более удивительно, углеродные мышцы получились гораздо «сильнее» естественных. Так, обычная мышечная ткань может сокращаться на 10% в течение одной секунды. Мышцы на основе углеродных нанотрубок за тот же временной промежуток способны сокращаться на 40 000%. Впечатляет и диапазон рабочих температур: от температуры жидкого азота до температуры плавления железа – этот факт позволяет в будущем использовать подобные структуры в самых экстремальных условиях, в том числе и для исследования космоса, планет и их спутников.

Впрочем, только лишь созданием искусственных мышц применение волокон углеродных нанотрубок не ограничивается. На их основе становится возможным изготовление эффективных солнечных батарей – в данном случае будет использоваться на только возможность применения нанотрубок в качестве проводников, но их способность «сокращаться», меняя таким образом и форму самой батареи. Помимо этого на основе подобных структур возможно создание прочных конструкций с возможностью изменения их формы, искусственных конечностей и пр.

С экзоскелетом и искусственными мышцами все понятно. Их назначение создать возможность увеличить полезную нагрузку на человека. Давайте теперь посмотрим на что можно ее применить.