Meio século após o início dos trabalhos na área de exoesqueletos, as primeiras amostras deste equipamento estão prontas para entrar em pleno funcionamento. A Lockheed Martin recentemente se gabou de que seu projeto HULC (Human Universal Load Carrier) não só foi testado em campo com o Pentágono, mas está pronto para a produção em série. O exoesqueleto HULC está agora "respirando nas costas" por vários projetos semelhantes de outras empresas. Mas essa abundância de designs nem sempre foi.
Na verdade, a ideia de criar qualquer dispositivo que pudesse ser usado por uma pessoa e melhorar significativamente suas qualidades físicas surgiu na primeira metade do século passado. No entanto, até certo ponto era apenas mais uma noção dos escritores de ficção científica. O desenvolvimento de um sistema de aplicação prática só começou no final dos anos cinquenta. A General Electric, sob os auspícios dos militares dos EUA, lançou um projeto chamado Hardiman. A tarefa técnica era ousada: o exoesqueleto da GE deveria permitir a uma pessoa operar com cargas de até 1,5 mil libras (cerca de 680 quilos). Se o projeto fosse concluído com sucesso, o exoesqueleto de Hardiman teria grandes perspectivas. Assim, os militares pretendiam usar novas tecnologias para facilitar o trabalho dos armeiros na Força Aérea. Além disso, cientistas nucleares, construtores e representantes de muitas outras indústrias estavam "alinhados". Mas, mesmo dez anos após o início do programa, os engenheiros da General Electric não conseguiram traduzir tudo o que foi concebido para o metal. Vários protótipos foram construídos, incluindo um braço mecânico funcional. A enorme garra do Hardymen era movida hidraulicamente e podia levantar 750 libras de carga (aproximadamente 340 kg). Com base em uma "luva" funcional, foi possível criar uma segunda. Mas os designers enfrentaram outro problema. As "pernas" mecânicas do exoesqueleto não queriam funcionar corretamente. O protótipo Hardiman com um braço e duas pernas de apoio pesava menos de 750 quilos, enquanto a capacidade máxima do projeto era menor que seu próprio peso. Devido a esse peso e às peculiaridades da centralização do exoesqueleto, ao levantar a carga, toda a estrutura muitas vezes começou a vibrar, o que levou ao tombamento várias vezes. Com amarga ironia, os autores do projeto chamaram esse fenômeno de “dança mecânica de São Vito”. Por mais que lutassem os projetistas da General Electric, eles não conseguiram lidar com o alinhamento e as vibrações. No início da década de 70, o projeto Hardiman foi encerrado.
Nos anos subsequentes, o trabalho na direção de exoesqueletos ficou inativo. De vez em quando, várias organizações começaram a lidar com eles, mas quase sempre o resultado desejado não acontecia. Ao mesmo tempo, o objetivo da criação de um exoesqueleto nem sempre foi seu uso militar. Na década de 70, funcionários do Massachusetts Institute of Technology, sem muito sucesso, desenvolveram equipamentos dessa classe, destinados à reabilitação de pessoas com deficiência com lesões do sistema musculoesquelético. Infelizmente, naquela época, os engenheiros também atrapalharam a sincronização das várias partes do traje. Deve-se notar que os exoesqueletos têm uma série de características que não tornam sua criação um pouco mais fácil. Assim, uma melhoria significativa nas capacidades físicas do operador humano requer uma fonte adequada de energia. Este, por sua vez, aumenta as dimensões e o peso morto de todo o aparelho. O segundo obstáculo está na interação da pessoa com o exoesqueleto. O princípio de funcionamento de tal equipamento é o seguinte: uma pessoa faz qualquer movimento com o braço ou perna. Sensores especiais associados a seus membros recebem este sinal e transmitem o comando apropriado aos elementos atuadores - mecanismos hidráulicos ou elétricos. Simultaneamente à emissão dos comandos, esses mesmos sensores garantem que o movimento dos manipuladores corresponda aos movimentos do operador. Além de sincronizar as amplitudes dos movimentos, os engenheiros se deparam com a questão do tempo. A questão é que qualquer mecânico tem um certo tempo de reação. Portanto, deve ser minimizado para fins de conveniência suficiente no uso do exoesqueleto. No caso de exoesqueletos pequenos e compactos, que agora estão sendo enfatizados, a sincronização dos movimentos humanos e da máquina tem uma prioridade especial. Uma vez que o exoesqueleto compacto não permite um aumento na superfície de suporte, etc., a mecânica que não tem tempo para se mover com a pessoa pode afetar adversamente o uso. Por exemplo, um movimento prematuro de uma "perna" mecânica pode levar ao fato de uma pessoa simplesmente perder o equilíbrio e cair. E isso está longe de ser todos os problemas. Obviamente, a perna humana tem menos graus de liberdade do que a mão, sem mencionar a mão e os dedos.
A mais nova história de exoesqueletos militares começou em 2000. Em seguida, a agência americana DARPA deu início ao programa EHPA (Exoesqueletos para Aumento do Desempenho Humano - Exoesqueletos para aumentar o desempenho humano). O programa EHPA fazia parte de um projeto maior do Land Warrior para criar a aparência do soldado do futuro. No entanto, em 2007, o Land Warrior foi cancelado, mas sua parte do exoesqueleto foi continuada. O objetivo do projeto EHPA era criar o chamado. um exoesqueleto completo, que incluía amplificadores para braços e pernas humanas. Ao mesmo tempo, nenhuma arma ou reserva foi necessária. Os funcionários encarregados da DARPA e do Pentágono estavam bem cientes de que a situação atual no campo dos exoesqueletos simplesmente não permite equipá-los com funções adicionais. Portanto, os termos de referência para o programa EHPA implicam apenas na possibilidade de um transporte a longo prazo por um soldado em um exoesqueleto de uma carga de cerca de 100 quilos e um aumento em sua velocidade de movimento.
Sacros e a University of Berkeley (EUA), assim como a japonesa Cyberdyne Systems, expressaram seu desejo de participar do desenvolvimento de novas tecnologias. Doze anos se passaram desde o início do programa, e nesse período a composição dos participantes sofreu algumas alterações. Sacros agora se tornou parte da empresa Raytheon, e um departamento da universidade chamado Berkeley Bionics tornou-se uma divisão da Lockheed Martin. De uma forma ou de outra, agora existem três exoesqueletos protótipos criados no programa EHPA: Lockheed Martin HULC, Cyberdyne HAL e Raytheon XOS.
O primeiro dos exoesqueletos listados - HULC - não atende totalmente aos requisitos da DARPA. O fato é que a construção de 25 quilos contém apenas um sistema de apoio para as costas e "pernas" mecânicas. O suporte para as mãos não está implementado no HULC. Ao mesmo tempo, as capacidades físicas do operador HULC são aumentadas devido ao fato de que, através do sistema de suporte para as costas, a maior parte da carga nos braços é transferida para os elementos de força do exoesqueleto e, finalmente, "vai" para o solo. Graças ao sistema aplicado, um soldado pode transportar até 90 quilos de carga e ao mesmo tempo experimentar uma carga que atende a todos os padrões do exército. O HULC é alimentado por uma bateria de íon de lítio que dura até oito horas. No modo econômico, uma pessoa em um exoesqueleto pode andar a uma velocidade de 4-5 quilômetros por hora. A velocidade máxima possível do HULC é 17-18 km / h, mas este modo de operação do sistema reduz significativamente o tempo de operação de uma carga de bateria. No futuro, a Lockheed Martin promete equipar o HULC com células de combustível, cuja capacidade será suficiente para um dia de operação. Além disso, nas versões subsequentes, os designers prometem mãos "robóticas", o que aumentará significativamente as capacidades do usuário do exoesqueleto.
A Raytheon apresentou até agora dois exoesqueletos um tanto semelhantes com índices XOS-1 e XOS-2. Eles diferem em parâmetros de peso e tamanho e, como resultado, em uma série de características práticas. Ao contrário do HULC, a família XOS está equipada com um sistema de alívio de mão. Ambos os exoesqueletos podem levantar cerca de 80-90 kg de seu próprio peso. Vale ressaltar que o design de ambos os XOS permite a instalação de vários manipuladores em braços mecânicos. Deve-se notar que o XOS-1 e o XOS-2 têm um consumo de energia significativo até agora. Por isso, ainda não são autônomos e requerem alimentação externa. Conseqüentemente, a velocidade máxima de deslocamento e a vida útil da bateria estão fora de questão. Mas, de acordo com Raytheon, a necessidade de cabos de energia não será um obstáculo para o uso do XOS em armazéns ou bases militares onde haja uma fonte adequada de eletricidade.
O terceiro exemplo do programa EHPA é Cyberdyne HAL. Hoje, a versão HAL-5 é relevante. Este exoesqueleto é, até certo ponto, uma mistura dos dois primeiros. Como o HULC, ele pode ser usado de forma independente - as baterias duram 2,5-3 horas. Com a família XOS, o desenvolvimento da Cyberdyne Systems está unido pela "completude" do design: inclui sistemas de suporte para braços e pernas. No entanto, a capacidade de carga do HAL-5 não excede algumas dezenas de quilos. A situação é semelhante com as qualidades de velocidade desse desenvolvimento. O fato é que os designers japoneses não se concentraram no uso militar, mas na reabilitação de pessoas com deficiência. Obviamente, esses usuários simplesmente não precisam de alta velocidade ou capacidade de carga. Assim, se os militares estiverem interessados no HAL-5 em seu estado atual, será possível fazer um novo exoesqueleto com base nele, afiado para uso militar.
De todas as opções de exoesqueletos promissores submetidos à competição da EHPA, apenas o HULC chegou a ser testado em conjunto com os militares. Diversas características de outros projetos ainda não permitem o início de seus testes de campo. Em setembro, vários kits HULC serão enviados em partes para estudar as características do exoesqueleto em condições reais. Se tudo correr bem, a produção em grande escala começará em 2014-15.
Enquanto isso, cientistas e designers terão melhores conceitos e designs. A inovação mais esperada na área de exoesqueletos são as luvas robóticas. Os manipuladores existentes ainda não são muito convenientes para o uso de ferramentas e objetos semelhantes destinados ao uso manual. Além disso, a criação de tais luvas está associada a uma série de dificuldades. Em geral, eles são semelhantes aos de outros conjuntos de exoesqueleto, mas, neste caso, os problemas de sincronização são agravados por um grande número de elementos mecânicos, características do movimento da mão humana, etc. A próxima etapa no desenvolvimento de exoesqueletos será a criação de uma interface neuroeletrônica. Agora o movimento da mecânica é controlado por sensores e servo drives. Mais conveniente para engenheiros e cientistas é o uso de um sistema de controle com eletrodos que removem os impulsos nervosos humanos. Entre outras coisas, tal sistema reduzirá o tempo de reação dos mecanismos e, como resultado, aumentará a eficiência de todo o exoesqueleto.
No que diz respeito à aplicação prática, ao longo do último meio século, as opiniões sobre o assunto praticamente não mudaram. Os militares ainda são considerados os principais usuários de sistemas promissores. Eles podem usar exoesqueletos para operações de carga e descarga, preparação de munições e, além disso, em uma situação de combate, para aprimorar as capacidades dos caças. Deve-se notar que a capacidade de carga dos exoesqueletos será útil não apenas para os militares. O uso generalizado de tecnologia que permite a uma pessoa aumentar significativamente suas capacidades físicas pode mudar a cara de toda logística e transporte de carga. Por exemplo, o tempo para carregar um semirreboque de carga na ausência de empilhadeiras diminuirá em dezenas de por cento, o que aumentará a eficiência de todo o sistema de transporte. Finalmente, os exoesqueletos controlados pelos nervos ajudarão as pessoas com deficiência a terem uma vida plena novamente. Além disso, grandes esperanças estão depositadas na interface neuroeletrônica: no caso de lesões na coluna, etc. Em lesões, os sinais do cérebro podem não atingir uma área específica do corpo. Se os “interceptarmos” na área danificada do nervo e os enviarmos para o sistema de controle do exoesqueleto, a pessoa não ficará mais confinada a uma cadeira de rodas ou cama. Assim, os desenvolvimentos militares podem, mais uma vez, melhorar a vida não apenas dos militares. Por enquanto, fazendo grandes planos, você deve se lembrar da operação de teste do exoesqueleto Lockheed Martin HULC, que começará apenas no outono. Com base em seus resultados, será possível julgar as perspectivas de toda a indústria e o interesse de usuários em potencial por ela.
