Кости из будущего

Елена Кудрявцева

По прогнозам ученых, человечество стоит на пороге эпохи Homo mechanicus — "человека механического", облаченного в экзоскелет — второй опорно-двигательный аппарат. Железные "ноги" и полимерные мышцы не будут знать усталости. В Америке экзоскелеты массово появятся в экипировке солдат, в Японии "доспехами будущего" оснастят инвалидов и пожилых. Россия, как выяснил "Огонек", в стороне тоже не остается. Что нам ждать от "человека механического"?

Экзоскелет, в переводе с греческого, это "внешний скелет". То есть, по сути, второй опорно-двигательный аппарат, способный либо увеличить физическую силу и выносливость человека, либо помочь больному встать на ноги, взяв на себя все усилия и нагрузки. Но для военного ведомства это прежде всего стальной боевой скафандр, призванный не просто увеличить силу солдата, но и превратить его в универсальную боевую машину — наподобие тех, что были показаны в голливудских боевиках "Аватар" и "Железный человек".

Как стало известно "Огоньку", разработкой технологической новинки занимается специальная группа молодых ученых из ФГУП "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют"", принадлежащего "Ростехнологиям".

— Проект экзоскелета был разработан специально к недавнему Международному молодежному промышленному форуму "Инженеры будущего - 2012",— говорит представитель завода Сергей Борисов.— Конечно, этой темой уже долгое время занимаются ведущие компании мирового уровня, но ребята сумели подобрать для своей разработки оригинальные источники энергии, а это главная проблема для всех разработчиков данного направления. Поэтому совершенно закономерно, что проектом, вошедшим в десятку лучших на форуме, заинтересовались представители и Министерства торговли и промышленности, и Минобороны.

Ученым "Салюта" пообещали специальный грант за создание рабочей модели боевого экзоскелета. Правда, пока, по словам Сергея Борисова, финансирование данного проекта ведется "по остаточному принципу", поэтому экзоскелет существует только на бумаге — в чертежах, а вот для воплощения конструкции в металле предстоит затратить много сил и ресурсов.

Это далеко не первая попытка Минобороны наверстать технический прогресс и сменить кирзовые сапоги с портянками на "умные" титановые доспехи XXI века. К примеру, год назад было объявлено, что ученые 3-го Центрального научно-исследовательского института (ЦНИИ) Минобороны РФ уже разработали для Российской армии боевую экипировку "Боец-21". ""Боец" будет включать в себя как систему защиты, так и системы компьютерного управления огнем, жизнеобеспечения и энергообеспечения,— заявил один из разработчиков доцент Владимир Бойко.— В костюм будут внедрены и элементы экзоскелетных конструкций — металлический каркас, снимающий излишнюю нагрузку с мышц человека". По данным эксперта, новый комплект превзойдет существующие импортные аналоги: например, он будет легче французского "доспеха" FELIN на 14 килограммов. Правда, потом процесс застопорился. Сначала ЦНИИ занялся разработкой нового бронематериала с использованием нанотехнологий, потом ряд экспертов высказались за увеличение финансирования — дескать, нужно было закупить все образцы зарубежных бронежилетов и экзоскелетов, чтобы выбрать лучшее.

В итоге оснащение армии экзоскелетами было перенесено на 2020 год. Правда, есть опасение, что к этому времени ликвидировать отставание от западных держав уже не получится — по крайней мере в США уже создано несколько рабочих прототипов армейских экзоскелетов.

Один шаг для человека

Идея модернизировать человека, соединив его с неким механизмом, стала будоражить умы ученых еще несколько веков назад. Считается, что ближе всего к воплощению этой идеи подошел в середине XVIII века математик и музыкант Жак де Вокансон, который создал целый ряд чудных изобретений, включая утку-киборга и настоящего робота, играющего на флейте. К сожалению, об этих механизмах мы можем только прочитать — они были унесены в небытие Великой французской революцией. В историю Вокансон вошел как создатель первого в мире полностью автоматического ткацкого станка, использующего в качестве программы металлические карточки.

Первые реальные экзоскелеты были построены военными и медиками почти одновременно — в конце 60-х годов прошлого века. Специалисты General Electric по заказу американского агентства DARPA, занятого разработкой футуристических проектов для Пентагона, создали железного Hardiman. Техническое задание было смелым: экзоскелет должен позволять человеку оперировать с грузами весом до 700 килограммов. В случае удачного завершения проекта экзоскелет Hardiman имел бы замечательные перспективы. Так, военные предполагали использовать новую технику для облегчения работы техников в военно-воздушных силах, которые сегодня вручную цепляют тяжеленные бомбы и ракеты под крылья самолетов. Кроме того, "в очереди" стояли атомщики, строители и представители самых разных отраслей.

Но даже через 10 лет после начала программы инженерам General Electric так и не удалось воплотить в металле все задуманное. Было построено несколько прототипов, в том числе и рабочая механическая рука. Огромная клешня Hardiman имела гидравлический привод и могла поднимать до 350 килограммов. Но тут перед конструкторами встала другая проблема: обычный человек способен выполнять одновременно свыше 30 различных управляемых действий — такая степень свободы для машины тогда казалась абсолютно недостижимой. Более того, конструкторы никак не могли заставить работать правильно механические "ноги" экзоскелета, что не раз приводило к опрокидыванию всей конструкции. С горькой иронией авторы проекта назвали это явление "механической пляской святого Витта".

Интересно, что почти одновременно с созданием Hardiman знаменитый югославский ученый Миомир Вукобратович из белградского Робототехнического центра института им. Михаила Пупина воплотил в жизнь совершенно другую концепцию экзоскелета — не боевой машины, но устройства, предназначенного для реабилитации инвалидов. Он вообще считал, что идея создания человекоподобных роботов родилась из желания помочь инвалидам, особенно обездвиженным, и поэтому использовать подобные устройства в военных целях — кощунственно.

Собственно, по этим двум направлениям — военному и медицинскому — и пошло развитие экзоскелетов. Причем их различия чувствуются даже на уровне технологии: если боевые машины строятся на основе тяжеловесных гидравлических механизмов и сенсоров, реагирующих на сокращения человеческих мышц, то медицинские экзоскелеты работают с помощью сервоприводов — особо точных приводов с моторчиком, которые реагируют на сигналы электродов, улавливающих нервные импульсы, передающиеся от мозга мускулам. Это как бульдозер и спортивный автомобиль, как шахтерский отбойный молоток и молоточек часового мастера — вроде бы и похожие инструменты, но делают совершенно разные вещи. Впрочем, эволюция показывает, что оба вида могут неожиданно слиться в один.

"Халк" и все остальные

На рубеже тысячелетий американское Агентство передовых оборонных исследовательских проектов DARPA (англ. Defense Advanced Research Projects Agency) приняло революционную программу Land Warrior — комплексное научное исследование по созданию облика солдата будущего. Правда, потом в связи с глобальным финансовым кризисом, все эти эксперименты свернули, оставив лишь один элемент — программу Exoskeletons for Human Performance Augmentation (EHPA), которая предусматривала создание экзоскелета для увеличения производительности человека. Как говорят в Пентагоне, американские генералы прекрасно понимали, что посылать в бой солдат в костюмах за сотни тысяч долларов — непозволительная роскошь. Амбиции генералов были куда скромнее: солдаты, оснащенные экзоскелетами, должны были для начала научиться выполнять простую работу грузчиков. Поэтому техническое задание по программе EHPA подразумевает только возможность длительной переноски солдатом в экзоскелете груза массой около 100 килограммов и повышение его скорости передвижения.

Свое желание участвовать в разработке новой техники выразили компания Sarcos и Университет Беркли (США), а также японская Cyberdyne Systems. С момента начала программы прошло 12 лет, и за это время состав участников претерпел некоторые изменения. К настоящему времени Sarcos вошла в состав концерна Raytheon, а отдел университета под названием Berkeley Bionics стал подразделением Lockheed Martin. Так или иначе, но сейчас в городке Натик на северо-востоке США проходят испытания всех трех прототипов экзоскелетов, созданных коллективными усилиями.

Первый из экзоскелетов — HULC ("Халк") от Lockheed Martin — не в полной мере отвечает требованиям DARPA. Дело в том, что 25-килограммовая конструкция имеет в своем составе только систему поддержки спины и механические "ноги". Поддержка рук в HULC не реализована, хотя в технической документации сказано, что солдат в экзоскелете может нести на себе до 90 килограммов груза и при этом испытывать нагрузку, отвечающую всем армейским нормативам. HULC оснащается литий-ионным аккумулятором, емкости которого хватает на 8 часов. В то же время HULC может и бежать со скоростью 18-20 км/ч, однако быстрый бег способствует быстрому истощению аккумуляторов.

Прогресс идет не спеша

Компания Raytheon на данный момент представила уже второе поколение экзоскелета — модель XOS 2, которая, в отличие от HULC, оснащена системой поддержки рук, что дает ей возможность поднимать до 90 килограммов груза. Примечательно, что конструкция XOS позволяет устанавливать на механические руки различные манипуляторы.

— Наш футуристический костюм состоит из сложных комбинаций автоматических регуляторов, сенсоров, высокопрочного алюминия и стали,— говорит один из разработчиков экзоскелета доктор Стивен Якобсен из компании Raytheon Sarcos.— Он позволяет оператору легко поднимать вес в 90 килограммов и двигаться со скоростью 12 км/час. При этом экзоскелет настолько гибкий, что в нем можно играть в футбол или подниматься по лестнице.

Испытывали XOS 2 в Natick Labs, где для этого есть все подходящие условия: сильно пересеченная местность, перепады температуры и неограниченное количество добровольцев. Для чистоты эксперимента все то, что проделывал боец, облаченный в XOS 2, выполняли солдаты без навороченного обмундирования. Впрочем, тот, кто ждал, что на испытаниях начнутся сражения боевых роботов наподобие "Терминатора" или "Железного человека", был сильно разочарован. Большую часть времени боевой робот без устали переставлял с места на места ящики с боеприпасами, поднимал увесистые баллистические ракеты и аккуратно приседал на месте.

В этом году XOS 2 планируется проверить в боевых условиях. Правда, здесь все не так просто. "Костюм Железного человека", как окрестили его журналисты, имеет существенный недостаток — он не имеет аккумуляторов и питается от сети, таская за собой электрические провода. Впрочем, как считают в Raytheon, привязанность экзоскелета к розетке не является препятствием для работы грузчиком на складе.

— Несмотря на сложности, работа над экзоскелетами будет неизбежно продолжаться, — говорит Смит Фрейзер вице-президента Raytheon, создавшей XOS 2. - Уже посчитано, что работник, использующий экзоскелет, работает в четыре раза эффективней, чем без него.

Третий образец — Cyberdyne HAL от компании Cyberdyne Systems. Причем сегодня проходит испытания уже пятая модель — HAL-5. Этот экзоскелет в некоторой мере является смесью первых двух. Как и HULC, он имеет возможность автономного использования — аккумуляторов хватает на 2,5-3 часа работы. А от семейства XOS разработчики взяли "полноту" конструкции: в ее составе есть системы поддержки и рук, и ног. Правда, это снизило грузоподъемность HAL-5 — сейчас рабочий в экзоскелете сможет поднять только пару десятков "лишних" килограммов. Так же дело обстоит и со скоростными качествами этой разработки — похоже, японские конструкторы полагали, что армейскому грузчику никуда не стоит спешить.

Зато вот у Пентагона есть все причины, что бы поторапливать разработчиков.

— Знаете ли вы, какие ранения чаще всего получали американские солдаты во время войны в Ираке? — с такого вопроса начал свой недавний доклад генерал-майор Вансел Макналти на заседании Центра по укреплению здоровья и профилактической медицины. — Может быть, осколочные ранения? Может быть, они страдали от эпидемии вирусов? Нет! Сегодня мы можем говорить о другой эпидемии — эпидемии скелетно-мышечные травм.

Оказывается, за последние пять лет количество подобных травм в армии США выросло более чем в десять раз. За прошлый год с подобными проблемами к медикам обратились 900 тысяч раз, то есть фактически каждый военнослужащий дважды в год жаловался на травмы (списочный состав армии США составляет 540 тыс. солдат в строю). А государству ежегодно приходится выплачивать свыше $ 500 миллионов долларов ветеранам, получившим инвалидность из-за скелетно-мышечных травм.

Причина эпидемии, как ни странно, в усовершенствовании военного обеспечения. Современный американский солдат должен переносить на себе 45 кг оружия и амуниции, не говоря уже о постоянной погрузке и разгрузке боеприпасов, обустройстве лагеря и блок-постов. В свете этого вроде бы дорогостоящий экзоскелет, который, по предварительным оценкам, стоит несколько сот тысяч долларов, кажется не таким уж дорогим.