Mezzo secolo dopo l'inizio dei lavori nel campo degli esoscheletri, i primi campioni di questa attrezzatura sono pronti per andare al lavoro a tutti gli effetti. Lockheed Martin si è recentemente vantata che il suo progetto HULC (Human Universal Load Carrier) non solo è stato testato sul campo con il Pentagono, ma è pronto per la produzione in serie. L'esoscheletro HULC sta ora "respirando nella schiena" da diversi progetti simili di altre società. Ma una tale abbondanza di disegni non è sempre stata.
In realtà, l'idea di creare qualsiasi dispositivo che potesse essere indossato da una persona e migliorare significativamente le sue qualità fisiche è apparsa nella prima metà del secolo scorso. Tuttavia, fino a un certo momento era solo un'altra nozione di scrittori di fantascienza. Lo sviluppo di un sistema praticamente applicabile è stato avviato solo alla fine degli anni Cinquanta. General Electric, sotto gli auspici dell'esercito americano, ha lanciato un progetto chiamato Hardiman. Il compito tecnico era audace: l'esoscheletro di GE avrebbe dovuto consentire a una persona di operare con carichi fino a un migliaio e mezzo di libbre (circa 680 chilogrammi). Se il progetto fosse stato completato con successo, l'esoscheletro di Hardiman avrebbe grandi prospettive. Quindi, i militari intendevano utilizzare la nuova tecnologia per facilitare il lavoro degli armaioli nell'aeronautica. Inoltre, gli scienziati nucleari, i costruttori e i rappresentanti di molte altre industrie erano "in linea". Ma anche a dieci anni dall'inizio del programma, gli ingegneri della General Electric non sono stati in grado di tradurre in metallo tutto ciò che era stato concepito. Furono realizzati diversi prototipi, compreso un braccio meccanico funzionante. L'enorme artiglio dell'Hardymen era azionato idraulicamente e poteva sollevare 750 libbre di carico (circa 340 kg). Sulla base di un "guanto" lavorabile è stato possibile crearne un secondo. Ma i progettisti hanno dovuto affrontare un altro problema. Le "gambe" meccaniche dell'esoscheletro non volevano funzionare correttamente. Il prototipo Hardiman con un braccio e due gambe di supporto pesava meno di 750 chilogrammi, mentre la capacità massima di progettazione era inferiore al proprio peso. A causa di questo peso e delle peculiarità del centraggio dell'esoscheletro, durante il sollevamento del carico, l'intera struttura ha spesso iniziato a vibrare, il che ha portato a ribaltarsi più volte. Con amara ironia, gli autori del progetto hanno chiamato questo fenomeno “la danza meccanica di San Vito”. Non importa quanto duramente abbiano combattuto i progettisti della General Electric, non sono riusciti a far fronte all'allineamento e alle vibrazioni. All'inizio degli anni '70, il progetto Hardiman fu chiuso.
Negli anni successivi, il lavoro in direzione degli esoscheletri rimase inattivo. Di tanto in tanto, varie organizzazioni hanno iniziato a occuparsene, ma quasi sempre il risultato desiderato non ha avuto luogo. Allo stesso tempo, lo scopo di creare un esoscheletro non era sempre il suo uso militare. Negli anni '70, i dipendenti del Massachusetts Institute of Technology, senza molto successo, hanno sviluppato attrezzature di questa classe, progettate per la riabilitazione di persone disabili con lesioni dell'apparato muscolo-scheletrico. Sfortunatamente, in quel momento, gli ingegneri si sono anche messi d'impaccio nella sincronizzazione delle varie parti della tuta. Va notato che gli esoscheletri hanno una serie di caratteristiche che non rendono la loro creazione un po' più facile. Pertanto, un miglioramento significativo delle capacità fisiche dell'operatore umano richiede una fonte di energia appropriata. Quest'ultimo, a sua volta, aumenta le dimensioni e il peso morto dell'intero apparato. Il secondo intoppo risiede nell'interazione tra la persona e l'esoscheletro. Il principio di funzionamento di tali apparecchiature è il seguente: una persona fa qualsiasi movimento con il braccio o la gamba. Sensori speciali associati ai suoi arti ricevono questo segnale e trasmettono il comando appropriato agli elementi di azionamento: meccanismi idraulici o elettrici. Contemporaneamente all'emissione dei comandi, questi stessi sensori assicurano che il movimento dei manipolatori corrisponda ai movimenti dell'operatore. Oltre a sincronizzare le ampiezze dei movimenti, gli ingegneri devono affrontare il problema dei tempi. Il punto è che ogni meccanico ha un certo tempo di reazione. Pertanto, dovrebbe essere ridotto al minimo allo scopo di una sufficiente comodità nell'uso dell'esoscheletro. Nel caso di esoscheletri piccoli e compatti, che vengono ora enfatizzati, la sincronizzazione dei movimenti umani e meccanici ha una priorità speciale. Poiché l'esoscheletro compatto non consente un aumento della superficie di appoggio, ecc., i meccanici che non hanno il tempo di muoversi con la persona possono influire negativamente sull'uso. Ad esempio, un movimento prematuro di una "gamba" meccanica può portare al fatto che una persona semplicemente perde l'equilibrio e cade. E questo è lontano da tutti i problemi. Ovviamente la gamba umana ha meno gradi di libertà della mano, per non parlare della mano e delle dita.
La più recente storia degli esoscheletri militari è iniziata nel 2000. Quindi l'agenzia americana DARPA ha avviato l'avvio del programma EHPA (Exoskeletons for Human Performance Augmentation - Exoskeletons for aumentare le prestazioni umane). Il programma EHPA faceva parte di un più ampio progetto Land Warrior per creare l'aspetto del soldato del futuro. Tuttavia, nel 2007, il Land Warrior è stato cancellato, ma la sua parte dell'esoscheletro è stata continuata. Lo scopo del progetto EHPA era creare il cosiddetto. un esoscheletro completo, che includeva amplificatori per braccia e gambe umane. Allo stesso tempo, non erano necessarie armi o prenotazioni. I funzionari incaricati della DARPA e del Pentagono erano ben consapevoli che l'attuale stato delle cose nel campo degli esoscheletri semplicemente non consente di dotarli di funzioni aggiuntive. Pertanto, i termini di riferimento per il programma EHPA implicano solo la possibilità di un trasporto a lungo termine da parte di un soldato in un esoscheletro di un carico del peso di circa 100 chilogrammi e un aumento della sua velocità di movimento.
Sacros e l'Università di Berkeley (USA), così come la giapponese Cyberdyne Systems, hanno espresso il desiderio di partecipare allo sviluppo di nuove tecnologie. Sono trascorsi dodici anni dall'inizio del programma, e durante questo periodo la composizione dei partecipanti ha subito alcune modifiche. Sacros è ora diventato parte della Raytheon e un dipartimento dell'università chiamato Berkeley Bionics è diventato una divisione di Lockheed Martin. In un modo o nell'altro, ora ci sono tre prototipi di esoscheletri creati nell'ambito del programma EHPA: Lockheed Martin HULC, Cyberdyne HAL e Raytheon XOS.
Il primo degli esoscheletri elencati - HULC - non soddisfa pienamente i requisiti DARPA. Il fatto è che la costruzione da 25 chilogrammi contiene solo un sistema di supporto per la schiena e "gambe" meccaniche. Il supporto manuale non è implementato in HULC. Allo stesso tempo, le capacità fisiche dell'operatore HULC sono aumentate a causa del fatto che attraverso il sistema di supporto per la schiena, la maggior parte del carico sulle braccia viene trasferita agli elementi di forza dell'esoscheletro e alla fine "va" nel terreno. Grazie al sistema applicato, un soldato può trasportare fino a 90 chilogrammi di carico e allo stesso tempo sperimentare un carico che soddisfa tutti gli standard dell'esercito. L'HULC è alimentato da una batteria agli ioni di litio che dura fino a otto ore. In modalità economica, una persona in un esoscheletro può camminare a una velocità di 4-5 chilometri all'ora. La velocità massima possibile dell'HULC è di 17-18 km / h, ma questa modalità di funzionamento del sistema riduce significativamente il tempo di funzionamento da una carica della batteria. In futuro, Lockheed Martin promette di dotare HULC di celle a combustibile, la cui capacità sarà sufficiente per un giorno di funzionamento. Inoltre, nelle versioni successive, i designer promettono mani "robotiche", che aumenteranno significativamente le capacità dell'utente dell'esoscheletro.
Finora Raytheon ha presentato due esoscheletri in qualche modo simili con indici XOS-1 e XOS-2. Differiscono nei parametri di peso e dimensioni e, di conseguenza, in una serie di caratteristiche pratiche. A differenza dell'HULC, la famiglia XOS è dotata di un sistema di rilascio della mano. Entrambi questi esoscheletri possono sollevare circa 80-90 chilogrammi del proprio peso. È interessante notare che il design di entrambi gli XOS consente di installare vari manipolatori su bracci meccanici. Va notato che XOS-1 e XOS-2 hanno un consumo energetico significativo finora. Per questo motivo non sono ancora autonomi e richiedono alimentazione esterna. Di conseguenza, la velocità massima di viaggio e la durata della batteria sono fuori questione. Ma, secondo Raytheon, la necessità di alimentazione via cavo non sarà un ostacolo all'uso di XOS in magazzini o basi militari dove c'è un'adeguata fonte di elettricità.
Il terzo campione del programma EHPA è Cyberdyne HAL. Oggi, la versione HAL-5 è rilevante. Questo esoscheletro è in una certa misura una miscela dei primi due. Come l'HULC, può essere utilizzato in modo indipendente: le batterie durano 2,5-3 ore. Con la famiglia XOS, lo sviluppo di Cyberdyne Systems è unito dalla "completezza" del design: include sistemi di supporto sia per le braccia che per le gambe. Tuttavia, la capacità di carico dell'HAL-5 non supera un paio di decine di chilogrammi. La situazione è simile con le qualità di velocità di questo sviluppo. Il fatto è che i designer giapponesi si sono concentrati non sull'uso militare, ma sulla riabilitazione delle persone disabili. Ovviamente, tali utenti semplicemente non hanno bisogno di alta velocità o capacità di carico. Di conseguenza, se l'esercito è interessato a HAL-5 nel suo stato attuale, sarà possibile creare un nuovo esoscheletro sulla base, affilato per uso militare.
Di tutte le opzioni per promettenti esoscheletri presentate al concorso EHPA, solo l'HULC ha finora raggiunto i test in collaborazione con i militari. Numerose caratteristiche di altri progetti non consentono ancora di avviare le prove sul campo. A settembre verranno inviati diversi kit HULC in parti per studiare le caratteristiche dell'esoscheletro in condizioni reali. Se tutto andrà per il verso giusto, la produzione su larga scala inizierà nel 2014-15.
Nel frattempo, scienziati e designer avranno concetti e progetti migliori. L'innovazione più attesa nel campo degli esoscheletri sono i guanti robotici. I manipolatori esistenti non sono ancora molto convenienti per l'utilizzo di strumenti e oggetti simili destinati all'uso manuale. Inoltre, la creazione di tali guanti è associata a una serie di difficoltà. In generale, sono simili a quelli di altri esoscheletri, ma in questo caso i problemi di sincronizzazione sono aggravati da un gran numero di elementi meccanici, caratteristiche del movimento della mano umana, ecc. Il prossimo passo nello sviluppo degli esoscheletri sarà la creazione di un'interfaccia neuroelettronica. Ora il movimento della meccanica è controllato da sensori e servoazionamenti. Più conveniente per ingegneri e scienziati è l'uso di un sistema di controllo con elettrodi che rimuovono gli impulsi nervosi umani. Tra le altre cose, un tale sistema ridurrà il tempo di reazione dei meccanismi e, di conseguenza, aumenterà l'efficienza dell'intero esoscheletro.
Per quanto riguarda l'applicazione pratica, nell'ultimo mezzo secolo le opinioni su di essa non sono cambiate. I militari sono ancora considerati i principali utilizzatori di sistemi promettenti. Possono usare esoscheletri per operazioni di carico e scarico, preparare munizioni e inoltre, in una situazione di combattimento, per migliorare le capacità dei combattenti. Va notato che la capacità di carico degli esoscheletri sarà utile non solo per i militari. L'uso diffuso della tecnologia che consente a una persona di aumentare significativamente le proprie capacità fisiche può cambiare il volto di tutta la logistica e il trasporto merci. Ad esempio, il tempo per caricare un semirimorchio merci in assenza di carrelli elevatori diminuirà di decine di percento, il che aumenterà l'efficienza dell'intero sistema di trasporto. Infine, gli esoscheletri controllati dai nervi aiuteranno le persone disabili a vivere di nuovo una vita piena. Inoltre, grandi speranze sono riposte sull'interfaccia neuroelettronica: in caso di lesioni spinali, ecc. Nelle lesioni, i segnali dal cervello potrebbero non raggiungere un'area specifica del corpo. Se li "intercettiamo" nell'area danneggiata del nervo e li inviamo al sistema di controllo dell'esoscheletro, la persona non sarà più confinata su una sedia a rotelle o su un letto. Pertanto, gli sviluppi militari possono ancora una volta migliorare la vita non solo dei militari. Solo per ora, facendo grandi progetti, dovresti ricordare l'operazione di prova dell'esoscheletro Lockheed Martin HULC, che inizierà solo in autunno. Sulla base dei suoi risultati, sarà possibile giudicare sia le prospettive dell'intero settore sia l'interesse nei suoi confronti da parte dei potenziali utenti.
