Екзоскелети: силові обладунки майбутнього

Плоть людська слабка — і людство споконвіку намагається з цією вразливістю боротися. Стихійні катастрофи, війни, підвищений рівень радіації, надто високий або низький тиск, гравітація або повна її відсутність — хоч би якою була небезпека, принцип виживання в усі віки залишається однаковим: нівелюй загрозу перш, ніж загроза нівелює тебе. Еволюція обділила людину черепашим панцирем і шкірою броненосця, от і доводиться збільшувати свої шанси на виживання, заковуючи себе в броню. Віджили свої кольчуги, їм на зміну прийшли латні обладунки, потім з’явилися бронежилети. Паралельно створювалися скафандри, незамінні у глибоководних та космічних експедиціях.

Технології вдосконалювалися, а проблеми залишалися колишніми — змінювався лише їхній масштаб. Так, використання броні та її аналогів уперто зводить дрібну моторику до нуля, а значну вагу обмундирування зменшує час його активної експлуатації: що в середньовічних обладунках, що в сучасних скафандрах не вдасться довго пересуватися без постійних перерв на відпочинок. Рішенням став екзоскелет – не стискаючий рухів і підвищує людську вантажопідйомність.

Умовно всі екзоскелети можна розділити на два види: ті, що заповнюють втрачені можливості, і ті, що посилюють існуючі. Перші розробляються з медичною метою, другі — заради різних завдань, потребують розширення початкового людського функціоналу. По суті, екзоскелети, що підсилюють, – це аналог DLC в комп’ютерних іграх, доповнення до базової версії гри.

Енергію екзоскелети найчастіше одержують із вбудованих у систему акумуляторів, але іноді можна зустріти і моделі з провідним підключенням, де прототип постійно залишається «на прив’язі». Примірники, які працюють на зовнішніх джерелах енергії, називають «активними» — вони популярні у військовій та космічній сферах. Активний екзоскелет, оснащений бронею та зброєю, використали, наприклад, герої фільму «Грань майбутнього» (2014), відбиваючи напад інопланетних загарбників. Подібні моделі починають розробляти і насправді. Вони значно збільшують швидкість пересування, силу і витривалість оператора, але є й ряд недоліків — висока ціна, складність і тяжкість конструкції, постійна залежність від рівня заряду батареї.

Є й «пасивні» екзоскелети: їм не потрібні ні акумулятори, ні дроти. Вони наводяться силами самого оператора, працюючи на перерозподілі кінетичної енергії. Пасивні екзоскелети знайшли широке застосування у промисловості та медицині: вони важать менше, прості у використанні та фінансово доступніші.

Втім, як і в будь-яких експериментальних розробок, поділ екзоскелетів за типами і галузями досить умовний: коли нову модель вигадують з нуля, рішення можуть виявитися різними.

Слід відрізняти екзоскелет від силової броні, супергеройського костюма і тим більше від величезного робота-хутра з BattleTech, яким керує захований у кабіні пілот. Незважаючи на зовнішню схожість цих механізмів, у них дуже різне призначення та комплектація: екзоскелет може бути складовою скафандра або бойового обладунку, але ні захисні, ні бойові функції до його базового набору не входять.

Екзоскелет може прийняти на себе вагу броні, у рази посилити людську вантажопідйомність, підвищити швидкість рухів: оператор отримує можливість стрибати далі, бігати швидше, довше рухатися без втоми — і легше долати перешкоди (зокрема безперервно). Силовий обладунок космодесантника та костюм Залізної людини базуються на одній технології: на ідеї захованого в металевому каркасі екзоскелета, який однією своєю присутністю забезпечує оператору покращення всіх його здібностей, усіх навичок. Це мрія людини стати чимось більшим — і спосіб досягти більшого. З тих пір, як у 1959 році вийшов «Зоряний десант» Роберта Хайнлайна, шанувальники фантастики почали чекати, коли така технологія з’явиться в реальності.

Довго чекати не довелося: перший відомий світу екзоскелет Hardiman був створений в 1965 році американською компанією General Electric. Він став спільною розробкою сухопутних збройних сил та військово-морського флоту. Метою проекту окреслили «розширення людських можливостей за допомогою збільшення вантажопідйомної сили». Модель складалася з внутрішнього костюма, закріпленого безпосередньо на операторі, і зовнішнього каркаса, який і приймав на себе вагу об’єктів, що переносяться.

Планувалося, що Hardiman збільшить силу оператора в двадцять п’ять разів: це означало, що піднімаючи вантаж масою 680 кілограмів, людина повинна була докласти зусиль, необхідних для підняття лише 27 кілограмів. Але до повноцінних випробувань справа не дійшла: робота механізму виявилася нестабільною, через що оператор ризикував отримати травми. На розробку Hardiman пішло шість років, проте через його важкість (екзоскелет важив три чверті тонни) і постійних збоїв системи проект довелося визнати невдалим. Проте він залишився в історії як науковий прорив і надихнув на подальші дослідження вчених по всьому світу.

У розробці екзоскелетів однаково зацікавлені військові, представники медичної сфери, промислові концерни та піонери космічного виробництва. Не всі сучасні екзоскелети є повноцінним роботизованим «костюмом» — більшості компаній доцільніше розробляти окремі каркаси для верхніх і нижніх кінцівок і при необхідності збирати їх в єдину систему.

Подібні «половинчасті» екзоскелети, не обтяжені зайвими деталями, коштують дешевше та легше знаходять собі застосування у вузькоспеціалізованих областях. У медицині їх використовують при зниженні у пацієнтів м’язової сили внаслідок хвороби або травми або якщо необхідно зменшити навантаження на хребет під час тренувань і в повсякденному житті. Хороший приклад можна побачити у всесвіті Marvel: коли Джеймса «Воїна» Роудса було поранено під час подій фільму «Перший месник: Протистояння» і втратив можливість ходити, Тоні Старк сконструював йому спеціальний екзоскелет для ніг, покликаний не тільки відновити мобільність друга, а й допомогти його подальшої реабілітації.

Насправді деякі моделі теж оснащують підсистемами, які допомагають людині відновити втрачені можливості: один із лідерів індустрії, японська компанія Сyberdyne, розробила для свого флагманського екзоскелета HAL («допоміжна гібридна кінцівка») спеціальні датчики, які вловлюють нервові сигнали пацієнта і без додатків. їх у команди м’язів. Передбачається, що подібний зворотний зв’язок між людиною та машиною допомагає паралізованому чи ослабленому пацієнту швидше відновити контроль над власним тілом. У подібній сфері працює новозеландська компанія REX Bionics: вона розробила екзоскелет, що дозволяє пацієнтам з порушенням рухливості ходити без використання милиць. Видатних результатів досягли і компанії ReWalk та Ekso Bionics: їхні моделі медичних екзоскелетів вже доступні у різних країнах світу. Ці пристрої застосовуються при реабілітації після інсульту та травми спинного мозку, а також допомагають пацієнтам з паралічем кінцівок самостійно пересуватися, стояти і навіть підніматися сходами.

Про розробки екзоскелетів у військових цілях після провалу з Hardiman мало чути було. Проект закрили 1971 року, через дванадцять років після першої публікації «Зоряного десанту»; ідея продовжувала жити на сторінках фантастичних книг та коміксів, але зникла із заголовків новин. Поодинокі розробки, про які ставало відомо громадськості, залишалися лише на рівні прототипів. Тільки двотисячних сформувався достатній базис для серйозних досліджень, з перспективою серійного виробництва. Моделі почали з’являтися одна за одною: одразу кілька компаній у різних куточках світу розробили оригінальні концепти роботизованих костюмів.

Значним проривом став американський екзоскелет HULС («універсальний вантажний засіб для людини»), розроблений спеціально для військової піхоти та лабораторні випробування в 2010 році. Екзоскелет важить 24 кілограми (не враховуючи елементи живлення) і дозволяє солдату без особливих зусиль переносити вантаж до 91 кілограма, рухаючись пересіченою місцевістю зі швидкістю від 11 до 16 кілометрів на годину. Залежно від завдання в екзоскелет можна вбудувати додаткові датчики, систему опалення чи охолодження, додати захист. У лютому 2012 року екзоскелет HULC був представлений на щорічній конференції TED. Модель не лише дозволяла з легкістю переносити вантажі, а й додавала оператору витривалості, не знижуючи спритності: в екзоскелеті можна було повзти і глибоко присідати.

Навесні 2018 року, після багатьох років розробок, китайська компанія Norinco також представила свій новий прототип, розроблений для військових потреб: ця модель дозволяє піхотинцю переносити на собі до 45 кілограмів, розвиваючи швидкість до чотирьох кілометрів на годину.

Але найближче до стереотипної фантастичної броні підібрався американський TALOS (тактичний легкий штурмовий костюм), перший концепт якого представили публіці ще в 2013 році. На відміну від інших своїх побратимів, TALOS розроблявся для загонів спеціального призначення і враховував специфіку їхньої служби: прототипи не тільки посилювали фізичну міць, але й мали куленепробивну зовнішню оболонку, чим піднімали ідею середньовічних обладунків на якісно новий рівень. Вбудовані в TALOS датчики мали відстежувати стан здоров’я оператора, прилади нічного бачення — збільшувати його огляд, спрощуючи процес збирання необхідної інформації. У травні 2018-го було оголошено, що пілотовані випробування розпочнуться навесні наступного року. Але в лютому 2019-го інформацію спростували: розробники не змогли впоратися із труднощами взаємодії підсистем. Представник Командування спеціальних операцій США визнав, що прототип наразі не готовий до роботи в обстановці ближнього бою.

А що ж Росія? Повідомляється, що в даний момент ведеться розробка екзоскелету для третього покоління бойового екіпірування «Ратник»: крім збільшення сили та витривалості оператора, новий прототип буде включати підсистеми життєзабезпечення, управління та зв’язку, захисту та енергозбереження. Імовірно, бойовий костюм буде готовий до експлуатації у 2022 році.

З 2012 року NASA бере участь у розробці екзоскелета X1. На Землі він може застосовуватися як допоміжний пристрій для ходьби, в космосі буде універсальним тренажером, який підтримуватиме здоров’я екіпажу під час дослідницьких місій. Екзоскелет важить 26 кілограмів (а в умовах невагомості — ніскільки), кріпиться на ноги та фіксується ременями безпеки на спині та плечах. Якщо вбудувати Х1 у скафандр, він значно полегшить астронавтам вихід у відкритий космос та спуск на поверхню далеких планет.

Але головна особливість Х1 полягає в широкому діапазоні його налаштувань: якщо інші екзоскелети створюються для полегшення людського життя, то Х1 при необхідності може її ускладнити, змусивши оператора докладати зусиль при здійсненні елементарних дій. В умовах зниженої гравітації Х1 може забезпечити м’язовий опір у стегнах, колінах та кісточках, імітуючи необхідний комплекс загальних вправ. Крім цього, екзоскелет X1 в режимі реального часу збирає дані про стан суглобів та м’язову силу користувача, допомагаючи точніше підібрати необхідну астронавту терапію або коригуючи його пересування в малознайомому середовищі та надаючи допомогу при перенесенні важких вантажів. Розробка та вдосконалення Х1 активно продовжуються до цього дня.

Над створенням досвідченого зразка, який гідно виглядав би навіть у науковій фантастиці, вчені б’ються понад півстоліття. Процес йде маленькими кроками, але з кожним новим зразком людство наближається до мети. Поступово здає позиції проблема громіздкості: завдяки сучасним матеріалам та технологіям, зокрема 3D-друку та новим сплавам, деталі екзоскелетів стало легше виготовляти, а важать вони менше. Найскладніше з джерелами енергії. Поки що від їх розміру залежить час автономної роботи екзоскелета: чим більше батарея в заплечному ранці оператора, тим довше він зможе рухатися у своєму роботизованому костюмі. Конструюючи броню Залізної людини, Тоні Старк із всесвіту Marvel насамперед бився саме із проблемою безперебійного харчування — і знайшов рішення, застосувавши холодний ядерний синтез. Насправді сучасні вчені воліють літій-полімерні акумулятори – нічого краще поки не винайшли.

Але під час вирішення старих проблем виникають нові. Створення екзоскелету обтяжене різноманітними труднощами — і головна з них полягає у синхронізації підсистем: не так просто налаштувати злагоджену роботу всіх програм, що забезпечують симбіоз механіки з людським організмом. Передбачається, що, пройшовши необхідне навчання та інші етапи підготовки, оператор зможе керувати екзоскелетом несвідомо, на рівні рефлексів. Успішний прототип повинен реагувати на всі імпульси, виконуючи команди в точності і без затримок. Калібрування датчиків руху, робота з контролерами, передача екзоскелету сигналів від нервових закінчень — це неначе спроба об’єднати два світи в третій, не порушивши їх цілісності та навчивши гармонійно співіснувати. У фільмі Ніла Бломкампа «Елізіум: Рай не на Землі» (2013) проблему синхронізації вирішували шляхом прямого підключення екзоскелету до нервової системи людини — для цього потрібна була багатоступенева та болісна хірургічна операція. Для реального світу такий варіант надто радикальний — натомість підвищують чутливість шкірних сенсорів.

Інша проблема розробки екзоскелетів – висока собівартість підсумкового продукту. На розробку одного прототипу йде 5-7 років, а потокове виробництво рідко досягає масштабів хоча б тисячі екземплярів. Купівля екзоскелетів залишається прерогативою великих компаній, військових та медичних установ — звичайному споживачеві така розкіш не по кишені. Як правило, оператори виявляються користувачами, але не власниками своїх роботизованих костюмів.

Нарешті, ще одна складність складається з попередніх і посилюється традицією державної таємниці: через те, що прототипів мало і вони рідко доступні для вивчення, розробникам з різних куточків планети доводиться знову і знову вирішувати ті самі проблеми. Мало кому вдається використати чужі напрацювання та застосовувати вже здобутий науковою спільнотою досвід. Куровані військовими проекти в більшості своїй засекречені — можливо, навіть про перший у світі екзоскелет світ дізнався лише завдяки його абсолютній практичній марності.

Але вчені не думають здаватися. Крім застосування у військових, космічних і медичних цілях, екзоскелети здатні полегшити життя представникам різних професій. Наприклад, вони стануть у нагоді стоматологам, електрикам, кінооператорам та художникам — тобто всім, кому доводиться щодня тривалий час тримати руки на вазі. Не кажучи вже про рятувальників та лікарів, від чиєї сили та витривалості безпосередньо залежать людські життя.

Серед компаній, що впроваджують використання екзоскелетів на виробництві, відзначились Ford та Boeing. А на початку 2019 року до них приєдналася і Toyota, замовивши партію екзоскелетів у американської компанії Levitate Technologies: ця модель проста у використанні та не обмежує свободу рухів. Систему тросів та пружин використовують для полегшення навантаження під час роботи з піднятими над головою руками: активуючись, система працює як противага, надаючи рухам плавність. За словами виробників, у робітників, які випробували їх моделі, стали менше хворіти плечі та спина.

Створенням допоміжних екзоскелетів зайнялися і в Південній Кореї: прототипи призначені для робітників на верфі, яким доводиться щодня піднімати важкі вантажі. Спроектований Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering екзоскелет розрахований на три години автономної роботи та може піднімати предмети вагою до 30 кілограмів, дозволяючи пересуватися у нормальному темпі. Якщо раніше екзоскелети розробляли для військових та медиків, то підйом вантажів — це вже цілком повсякденне завдання, а якщо технологію намагаються пристосувати до побуту — тут вже недалеко і до її застосування в розважальній індустрії.

Подібне розширення спеціалізації, перехід від гострої необхідності до застосування за бажанням та поступове впровадження екзоскелетів у різні галузі дають надію на те, що скоро вони поширяться і у повсякденному житті. У екзоскелеті, що підсилює, навіть закручувати лампочки стане набагато цікавіше.