Экзоскелеты избавляются от экзоскелетов, или Путь от моторов к наномышцам

Все мы знакомы с концепцией экзоскелета — устройства, усиливающего отдельные характеристики человека, чаще всего — силу, причем многократно. И у него есть концептуальное отличие от робота: он не пытается заменить собой труд человека, а служит ему инструментом.

Долгое время инженеры шли по одному пути: добавляли к телу пружины, металлический каркас, гидравлику, приводы и много прочих связанных механизмов, которые приводит в действие мощный мотор. Так у нас закрепилось представление, что экзоскелет — это что-то массивное, куда человеку нужно полностью залезть, что-то в духе костюмов из Fallout.

Но недавно появился новый подход: инженеры решили избавиться от мотора и перекинули функции передачи усилия на сам материал. Система называется DEA-волокна, которые сами по себе действуют как привод, по сути, работая как искусственные мышцы.

Сегодня поговорим о том, как технологии дошли от массивных многотонных дредноутов до искусственных мышц весом в несколько граммов и почему последний подход может постепенно сформировать новый класс носимых устройств.

Как экзоскелеты становились экзоскелетами

Но сперва давайте поймем, какими вообще бывают экзоскелеты. Считается, что первое серьезное упоминание экзоскелета относится к концу XIX века: в 1889 году наш соотечественник изобретатель Николай Ягн получил патент на устройство для облегчения ходьбы, прыжков и бега. 

Его изобретение — каркас для ног с пружинами, говоря иначе, первые в мире джамперы.

По сути, Николай разработал первую концепцию пассивного экзоскелета (о пассивных и активных моделях мы еще подробно поговорим).

Прошло больше полувека, и компания General Electric совместно с военными разработала проект Hardiman — силовой экзоскелет, который кратно увеличивал физические возможности человека.

В отдаленной перспективе его хотели задействовать еще и для подводных и космических работ — считайте, это первый дредноут. Махина весила 680 килограммов и увеличивала силу оператора в 25 раз. Если человек в костюме поднимал груз, скажем, в полтонны, ощущался он как 20 кило. Но проект так и остался в лаборатории: хоть инженеры и добились сумасшедшего усиления человека, но вокруг тела «выросла» слишком огромная и сложная в эксплуатации машина.

А вот третий скачок случился в начале 2000-х и не без помощи агентства DARPA. Оно вложилось в проект BLEEX, что велся в Калифорнийском университете. Там придумали автономный экзоскелет ног для переноски тяжелых грузов.

Цели те же: логистика в военных и гражданских целях, строительство и прочие работы, требующие огромной физической силы. Презентацию провели в 2004-м, но и эта концепция не пошла в серийное производство.

Однако стараниями BLEEX начали появляться другие проекты, которыми уже смог пользоваться мир. Например, очень известный на Западе ReWalk — экзоскелет для реабилитационных целей и для людей с малой мобильностью.

Оказалось, экзоскелеты можно использовать для совершенно разных целей и не существует единой правильной концепции. Конструкция же стала зависеть от того, какие возможности человека надо усилить.

Новый тип механического усилия

Экзоскелеты можно классифицировать по-разному: по конструкции (жесткие, мягкие) и по принципу работы (пассивные, активные). У пассивных устройств в основе пружины и упругие элементы, а активные генерируют дополнительное усилие посредством приводов: гидравлики, моторов, пневматики и иных систем.

Если кратко описать разновидности, получится что-то такое:

1. Жесткий активный. Hardiman/BLEEX. Это каркас с силовым приводом — настоящий дредноут или машины из «Аватара» Кэмерона.

2. Пассивный. Его основа — пружины и упругие элементы и перераспределение энергии в моменте. 

3. Мягкий активный. Минимум жесткого каркаса. Тот же первый тип, но в облегченной версии: минимум каркаса, много ремней, тросов и прочих эластичных материалов для передачи усилия. 

Все эти разновидности существуют в прикладном применении, и на сцену выходит новый принцип строения экзоскелета: материал сам по себе работает как привод.

Это изобретение китайских инженеров, и изобрели они новый вид волоконных искусственных мышц, которые способны полностью перевернуть представление об экзоскелетах.

Итак, материал стал приводом

Повторюсь: у обычного активного экзоскелета есть привод, который создает усилие, а конструкция это усилие передает человеку. В новой системе DEA сам эластичный материал создает это усилие, то есть мотор совсем не нужен.

Команда Hebei University of Technology из Тяньцзина использовала этот принцип в мягком экзокостюме для поддержки тазобедренного сустава

Принцип работы строится на волоконном DEA (dielectric elastomer actuators),то есть на диэлектрических эластомерных актуаторах.

Если сказать еще проще, то это синтетический аналог обычных мышц.

В любом экзоскелете, кроме пассивного, есть механический двигатель. А здесь инженеры заменили его на материал, который сам меняет форму под действием электрического поля. В этом и есть смена принципа создания усилия.

Если упростить физику работы DEA, устройство действует так: на электроды подается высокое напряжение, и между ними возникает электростатическое напряжение, материал сжимается по толщине и растягивается в других направлениях.

Причем материал у китайцев — нановолокна. На эластомерную пленку толщиной около 30 микрометров нанесли гибкие электроды из углеродных нанотрубок, затем ее сложили и свернули в цилиндр. Вышло что-то вроде мягких ниток.

Испытательный образец волокна при диаметре в 1,96 мм смог поднять вес в 400 г, или в 1300 раз больший, чем собственная масса. По коэффициенту это даже больше, чем может таскать природный рекордсмен-грузчик — навозный жук.

Эти нановолокна собрали в пучок, прямо как в наших мышцах, но пока что только по 10 штук на каждую ногу.

Сделан DEA-скелет, чтобы облегчить ходьбу: во время шага производится движение бедром назад, а на волокна идет напряжение. Волокна удлиняются с движением ноги и запасают упругую энергию, а на следующей фазе (сам шаг) энергия высвобождается, что упрощает передвижение.

Причем экзокомбинезон может работать без электричества, в пассивном режиме, просто его эффективность будет ощутимо ниже.

Но чтобы быть инженерно точным, должен сказать, что технология DEA как таковая не нова, и ее применение в робототехнике (куда можно отнести экзоскелетостроение) — тоже. Искусственные мышцы не новость, однако наши китайские товарищи изобрели абсолютно новый материал, а также довели достаточный мощный выход силы, чтобы тот эффективно помогал нижним конечностям.

Для понимания вот характеристики нановолокон:

• энергетическая плотность — 260 Дж/кг;

• удельная мощность — 1664 Вт/кг;

• проверенный ресурс в лабораторных испытаниях — около 100 000 циклов (после 100к не обнаружилось существенных деформаций волокон).

И самая эффектная цифра:

Во всем костюме присутствие активного DEA-материала — всего 6 граммов.

Выходит, два пучка по 10 волокон, по 3 грамма активного материала на каждую сторону. Технология интересная, но не все так радужно.

Вся конструкция весит около двух килограммов, почти как добротная кожаная куртка: около 60 граммов волокон с крепежами, 840 граммов текстиля, ремней или фурнитуры и чуть больше кило электроники с элементами питания. Более половины массы приходится на то, что питает систему.

Для работы DEA нужно мощное электрическое поле: во время испытаний волокна активировались при напряженности до 70В/мкм. И это создает потенциальный риск возникновения поверхностного электрического разряда, хотя инженеры сделали изолирующий слой. При проверке утечек не оказалось, а кратковременный ток при диэлектрическом пробое остался в безопасном пределе.

Однако в любом случае у нас есть новый тип «мышечных» экзоскелетов, который разительно отличается от всего, что было раньше. Назначение этого устройства — снижать утомляемость и разгружать мышцы при ходьбе.

Пока что это не похоже на экзоодежду (о чем вы могли подумать), но сдвиг в сторону тотального облегчения начался.

Что получается?

Еще рано говорить, что такие экзокостюмы скоро заменят привычные экзоскелеты. У жестких силовых систем, пассивных конструкций и мягких костюмов разные задачи, поэтому устройства, скорее всего, будут развиваться параллельно.

Но вот чем интересны DEA: они позволяют заметно уменьшить именно ту часть системы, которая создает усилие. В описанном костюме активного материала всего несколько граммов, хотя весь прототип вместе с текстилем, креплениями, электроникой и аккумуляторами весит уже около двух килограммов. То есть сами «мышцы» получились легкими, а основной вес пока приходится на все, что обеспечивает их работу.

У людей появилась тропа к сверхлегким устройствам, которые можно использовать для помощи при ходьбе, для снижения нагрузки на мышцы и суставы или уменьшения утомляемости при длительной физической работе.

В системах с искусственными мышцами появляется возможность двигаться в обратную сторону: оставить на человеке как можно меньше отдельной механики, а часть ее функций передать самому материалу.

Там, где нужны большие нагрузки, жесткость конструкции и серьезное усиление, скелеты еще долго будут полезны. Но постепенно формируется другая ветвь носимой робототехники — устройства, которые по форме все меньше напоминают машину и все больше похожи на дополнительную мускулатуру.

И это немного забавно: название «экзоскелет» остается, хотя самого скелета в таких механизмах становится все меньше. Возможно, со временем для них вообще придумают отдельное название. 

Но принцип останется таким, с которого все начиналось: дать человеческому телу чуть больше возможностей.