Een halve eeuw na de start van het werk op het gebied van exoskeletten zijn de eerste monsters van deze apparatuur klaar om volwaardig aan het werk te gaan. Lockheed Martin pochte onlangs dat zijn HULC-project (Human Universal Load Carrier) niet alleen in de praktijk is getest met het Pentagon, maar ook klaar is voor serieproductie. Het exoskelet HULC is nu "ademend in de rug" door verschillende soortgelijke projecten van andere bedrijven. Maar zo'n overvloed aan ontwerpen was er niet altijd.
Het idee om elk apparaat te maken dat door een persoon kan worden gedragen en zijn fysieke kwaliteiten aanzienlijk kan verbeteren, verscheen in de eerste helft van de vorige eeuw. Tot een bepaalde tijd was het echter gewoon een ander idee van sciencefictionschrijvers. Pas aan het eind van de jaren vijftig werd gestart met de ontwikkeling van een praktisch toepasbaar systeem. General Electric lanceerde onder auspiciën van het Amerikaanse leger een project genaamd Hardiman. De technische taak was gedurfd: het exoskelet van GE moest een persoon in staat stellen te werken met lasten tot anderhalve duizend pond (ongeveer 680 kilogram). Als het project met succes zou worden voltooid, zou het exoskelet van Hardiman grote perspectieven hebben. Het leger was dus van plan nieuwe technologie te gebruiken om het werk van wapensmeden in de luchtmacht te vergemakkelijken. Bovendien stonden nucleaire wetenschappers, bouwers en vertegenwoordigers van vele andere industrieën "in de rij". Maar zelfs tien jaar na de start van het programma zijn de ingenieurs van General Electric er niet in geslaagd om alles wat er werd bedacht in metaal te vertalen. Er werden verschillende prototypes gebouwd, waaronder een werkende mechanische arm. De enorme klauw van de Hardymen was hydraulisch aangedreven en kon 750 pond (ongeveer 340 kg) tillen. Op basis van één werkbare "handschoen" was het mogelijk om een tweede te maken. Maar de ontwerpers stonden voor een ander probleem. De mechanische "poten" van het exoskelet wilden niet goed werken. Het Hardiman-prototype met één arm en twee steunpoten woog nog geen 750 kilogram, terwijl de maximale ontwerpcapaciteit minder was dan zijn eigen gewicht. Vanwege dit gewicht en de eigenaardigheden van de centrering van het exoskelet, begon de hele constructie bij het optillen van de last vaak te trillen, wat leidde tot meerdere keren omvallen. Met bittere ironie noemden de auteurs van het project dit fenomeen "de mechanische dans van St. Vitus". Hoe hard de ontwerpers van General Electric ook vochten, ze slaagden er niet in om de uitlijning en trillingen het hoofd te bieden. Helemaal aan het begin van de jaren 70 werd het Hardiman-project gesloten.
In de jaren daarna werd het werk in de richting van exoskeletten stilgelegd. Van tijd tot tijd begonnen verschillende organisaties ermee aan de slag te gaan, maar vrijwel altijd volgde niet het gewenste resultaat. Tegelijkertijd was het doel van het maken van een exoskelet niet altijd het militaire gebruik ervan. In de jaren 70 ontwikkelden medewerkers van het Massachusetts Institute of Technology, zonder veel succes, apparatuur van deze klasse, ontworpen voor de revalidatie van gehandicapten met verwondingen van het bewegingsapparaat. Helaas stonden de ingenieurs destijds ook in de weg bij het synchroniseren van de verschillende onderdelen van het pak. Opgemerkt moet worden dat exoskeletten een aantal karakteristieke kenmerken hebben die hun creatie niet een beetje gemakkelijker maken. Een significante verbetering van de fysieke mogelijkheden van de menselijke operator vereist dus een geschikte energiebron. Dit laatste vergroot op zijn beurt de afmetingen en het eigen gewicht van het gehele apparaat. Het tweede probleem ligt in de interactie van de persoon en het exoskelet. Het werkingsprincipe van dergelijke apparatuur is als volgt: een persoon maakt elke beweging met zijn arm of been. Speciale sensoren die aan zijn ledematen zijn gekoppeld, ontvangen dit signaal en geven het juiste commando door aan de bedieningselementen - hydraulische of elektrische mechanismen. Gelijktijdig met het geven van commando's zorgen dezelfde sensoren ervoor dat de beweging van de manipulatoren overeenkomt met de bewegingen van de operator. Naast het synchroniseren van de amplitudes van bewegingen, worden ingenieurs geconfronteerd met het probleem van timing. Het punt is dat elke monteur een bepaalde reactietijd heeft. Daarom moet het worden geminimaliseerd met het oog op voldoende gemak bij het gebruik van het exoskelet. Bij kleine, compacte exoskeletten, die nu worden benadrukt, heeft de synchronisatie van mens- en machinebewegingen een speciale prioriteit. Omdat het compacte exoskelet geen vergroting van het steunoppervlak enz. toelaat, kunnen mechanica die geen tijd heeft om met de persoon mee te bewegen, het gebruik nadelig beïnvloeden. Een vroegtijdige beweging van een mechanisch "been" kan er bijvoorbeeld toe leiden dat een persoon eenvoudigweg het evenwicht verliest en valt. En dit is verre van alle problemen. Het is duidelijk dat het menselijk been minder vrijheidsgraden heeft dan de hand, om nog maar te zwijgen van de hand en vingers.
De nieuwste geschiedenis van militaire exoskeletten begon in 2000. Vervolgens startte het Amerikaanse bureau DARPA de start van het EHPA-programma (Exoskeletons for Human Performance Augmentation - Exoskeletons for enhancement human performance). Het EHPA-programma was onderdeel van een groter Land Warrior-project om het uiterlijk van de soldaat van de toekomst te creëren. In 2007 werd de Land Warrior echter geannuleerd, maar het exoskeletgedeelte werd voortgezet. Het doel van het EHPA-project was om de zgn. een compleet exoskelet, inclusief versterkers voor menselijke armen en benen. Tegelijkertijd waren er geen wapens of reserveringen nodig. De functionarissen die verantwoordelijk zijn voor DARPA en het Pentagon waren zich er terdege van bewust dat de huidige stand van zaken op het gebied van exoskeletten het simpelweg niet toestaat ze uit te rusten met extra functies. Daarom impliceert de taakomschrijving voor het EHPA-programma alleen de mogelijkheid van een langdurig dragen door een soldaat in een exoskelet van een lading van ongeveer 100 kilogram en een toename van de bewegingssnelheid.
Sacros en de University of Berkeley (VS), evenals het Japanse Cyberdyne Systems, spraken de wens uit om deel te nemen aan de ontwikkeling van nieuwe technologie. Twaalf jaar zijn verstreken sinds de start van het programma en gedurende deze tijd heeft de samenstelling van de deelnemers enkele veranderingen ondergaan. Sacros is nu onderdeel geworden van het Raytheon-concern en een afdeling van de universiteit genaamd Berkeley Bionics is een divisie geworden van Lockheed Martin. Op de een of andere manier zijn er nu drie prototype exoskeletten gemaakt onder het EHPA-programma: Lockheed Martin HULC, Cyberdyne HAL en Raytheon XOS.
Het eerste van de genoemde exoskeletten - HULC - voldoet niet volledig aan de DARPA-vereisten. Feit is dat de constructie van 25 kilogram alleen een rugsteunsysteem en mechanische "poten" bevat. Handondersteuning is niet geïmplementeerd in HULC. Tegelijkertijd worden de fysieke mogelijkheden van de HULC-operator vergroot doordat via het rugsteunsysteem de meeste belasting op de armen wordt overgebracht op de krachtelementen van het exoskelet en uiteindelijk de grond in gaat. Dankzij het toegepaste systeem kan een soldaat tot 90 kilogram aan vracht vervoeren en tegelijkertijd een last ervaren die aan alle legernormen voldoet. De HULC wordt aangedreven door een lithium-ionbatterij die tot acht uur meegaat. In de economische modus kan een persoon in een exoskelet lopen met een snelheid van 4-5 kilometer per uur. De maximaal mogelijke snelheid van de HULC is 17-18 km / u, maar deze werkingsmodus van het systeem vermindert de bedrijfstijd van één batterijlading aanzienlijk. Lockheed Martin belooft in de toekomst HULC uit te rusten met brandstofcellen, waarvan de capaciteit voldoende zal zijn voor een werkdag. Bovendien beloven de ontwerpers in volgende versies "robotachtige" handen, wat de mogelijkheden van de exoskeletgebruiker aanzienlijk zal vergroten.
Raytheon heeft tot nu toe twee enigszins vergelijkbare exoskeletten gepresenteerd met indices XOS-1 en XOS-2. Ze verschillen in gewichts- en maatparameters en daardoor in een aantal praktische kenmerken. In tegenstelling tot de HULC is de XOS-familie uitgerust met een handontlastingssysteem. Beide exoskeletten kunnen ongeveer 80-90 kilogram van hun eigen gewicht tillen. Het is opmerkelijk dat het ontwerp van beide XOS het mogelijk maakt om verschillende manipulatoren op mechanische armen te installeren. Opgemerkt moet worden dat XOS-1 en XOS-2 tot nu toe een aanzienlijk stroomverbruik hebben. Hierdoor zijn ze nog niet autonoom en hebben ze externe voeding nodig. De maximale reissnelheid en batterijduur zijn dan ook uitgesloten. Maar volgens Raytheon zal de behoefte aan kabelvoeding geen belemmering vormen voor het gebruik van XOS in magazijnen of militaire bases waar een geschikte elektriciteitsbron is.
Het derde voorbeeld van het EHPA-programma is Cyberdyne HAL. Vandaag is de HAL-5-versie relevant. Dit exoskelet is tot op zekere hoogte een mengsel van de eerste twee. Net als de HULC kan hij onafhankelijk worden gebruikt - de batterijen gaan 2,5-3 uur mee. Met de XOS-familie is de ontwikkeling van Cyberdyne Systems verenigd door de "volledigheid" van het ontwerp: het omvat ondersteuningssystemen voor zowel armen als benen. Het draagvermogen van de HAL-5 overschrijdt echter niet enkele tientallen kilo's. De situatie is vergelijkbaar met de snelheidseigenschappen van deze ontwikkeling. Feit is dat Japanse ontwerpers zich niet hebben gericht op militair gebruik, maar op de rehabilitatie van gehandicapten. Het is duidelijk dat dergelijke gebruikers eenvoudigweg geen hoge snelheid of laadcapaciteit nodig hebben. Dienovereenkomstig, als het leger geïnteresseerd is in HAL-5 in zijn huidige staat, zal het mogelijk zijn om op zijn basis een nieuw exoskelet te maken, geslepen voor militair gebruik.
Van alle opties voor veelbelovende exoskeletten die aan de EHPA-competitie zijn voorgelegd, heeft tot nu toe alleen HULC in samenwerking met het leger getest. Een aantal kenmerken van andere projecten laten nog steeds niet toe om hun veldproeven te starten. In september zullen verschillende HULC-kits in delen worden verzonden om de kenmerken van het exoskelet in reële omstandigheden te bestuderen. Als alles soepel verloopt, start de grootschalige productie in 2014-15.
In de tussentijd zullen wetenschappers en ontwerpers betere concepten en ontwerpen hebben. De meest verwachte innovatie op het gebied van exoskeletten zijn robothandschoenen. De bestaande manipulatoren zijn nog niet erg handig voor het gebruik van gereedschappen en soortgelijke voorwerpen die bedoeld zijn voor handmatig gebruik. Bovendien gaat het maken van dergelijke handschoenen gepaard met een aantal moeilijkheden. Over het algemeen zijn ze vergelijkbaar met die van andere exoskeletassemblages, maar in dit geval worden synchronisatieproblemen verergerd door een groot aantal mechanische elementen, kenmerken van de beweging van de menselijke hand, enz. De volgende stap in de ontwikkeling van exoskeletten is het creëren van een neuro-elektronische interface. Nu wordt de beweging van de mechanica aangestuurd door sensoren en servoaandrijvingen. Handiger voor ingenieurs en wetenschappers is het gebruik van een besturingssysteem met elektroden die menselijke zenuwimpulsen verwijderen. Zo'n systeem zal onder meer de reactietijd van mechanismen verkorten en daardoor de efficiëntie van het gehele exoskelet verhogen.
Wat de praktische toepassing betreft, zijn de opvattingen daarover de afgelopen halve eeuw nauwelijks veranderd. Het leger wordt nog steeds beschouwd als de belangrijkste gebruikers van veelbelovende systemen. Ze kunnen exoskeletten gebruiken voor laad- en losoperaties, het voorbereiden van munitie en bovendien, in een gevechtssituatie, om de capaciteiten van jagers te vergroten. Opgemerkt moet worden dat het draagvermogen van exoskeletten niet alleen nuttig zal zijn voor het leger. Het wijdverbreide gebruik van technologie waarmee een persoon zijn fysieke mogelijkheden aanzienlijk kan vergroten, kan het aanzien van alle logistiek en vrachtvervoer veranderen. Zo zal de tijd voor het laden van een vrachtoplegger bij afwezigheid van vorkheftrucks met tientallen procenten afnemen, wat de efficiëntie van het gehele transportsysteem zal verhogen. Ten slotte zullen zenuwgecontroleerde exoskeletten mensen met een handicap helpen om weer een volwaardig leven te leiden. Bovendien is er grote hoop gevestigd op de neuro-elektronische interface: in het geval van ruggengraatletsels, enz. Bij verwondingen kunnen signalen van de hersenen een specifiek deel van het lichaam mogelijk niet bereiken. Als we ze "onderscheppen" naar het beschadigde gebied van de zenuw en ze naar het exoskeletcontrolesysteem sturen, dan zal de persoon niet langer beperkt zijn tot een rolstoel of bed. Zo kunnen militaire ontwikkelingen opnieuw het leven van niet alleen het leger verbeteren. Voor nu, terwijl je grote plannen maakt, moet je onthouden over de proefoperatie van het Lockheed Martin HULC-exoskelet, die pas in de herfst zal beginnen. Op basis van de resultaten zal het mogelijk zijn om zowel de vooruitzichten van de hele industrie als de interesse erin van potentiële gebruikers te beoordelen.
