Экзоскелет в фантастике и реальности

В комиксах, аниме и компьютерных играх с помощью экзоскелетов спасают миры, выживают на постапокалиптической Земле и становятся супергероями. Фантастика часто предугадывает для науки пути развития, но как скоро боевые роботы станут реальностью — и когда, наконец, изобретут броню Железного человека?

В погоне за прогрессом

Экзоскелет Hardiman

Плоть человеческая слаба — и человечество испокон веков пытается с этой уязвимостью бороться. Стихийные катастрофы, войны, повышенный уровень радиации, чересчур высокое или низкое давление, гравитация либо полное её отсутствие — какой бы ни была опасность, принцип выживания во все века остаётся одинаковым: нивелируй угрозу прежде, чем угроза нивелирует тебя. Эволюция обделила человека черепашьим панцирем и шкурой броненосца, вот и приходится увеличивать свои шансы на выживание, заковывая себя в броню. Отжили своё кольчуги, им на смену пришли латные доспехи, потом появились бронежилеты. Параллельно создавались скафандры, незаменимые в глубоководных и космических экспедициях.

Технологии совершенствовались, а проблемы оставались прежними — менялся только их масштаб. Так, использование брони и её аналогов упрямо сводит мелкую моторику к нулю, а внушительный вес обмундирования уменьшает время его активной эксплуатации: что в средневековых доспехах, что в современных скафандрах не получится долго передвигаться без постоянных перерывов на отдых. Решением стал экзоскелет — не стесняющий движений и повышающий человеческую грузоподъёмность.

Условно все экзоскелеты можно разделить на два вида: те, что восполняют утерянные возможности, и те, что усиливают имеющиеся. Первые разрабатываются в медицинских целях, вторые — ради самых разных задач, требующих расширения изначального человеческого функционала. По сути, усиливающие экзоскелеты — это аналог DLC в компьютерных играх, дополнение к базовой версии игры.

Энергию экзоскелеты чаще всего получают из встроенных в систему аккумуляторов, но иногда можно встретить и модели с проводным подключением, где прототип всё время остаётся «на привязи». Экземпляры, работающие на внешних источниках энергии, называют «активными» — они популярны в военной и космической сферах. Активный экзоскелет, оснащённый бронёй и оружием, использовали, например, герои фильма «Грань будущего» (2014), отражая нападение инопланетных захватчиков. Подобные модели начинают разрабатывать и в реальности. Они значительно увеличивают скорость передвижения, силу и выносливость оператора, но есть у них и ряд недостатков — высокая цена, сложность и тяжесть конструкции, постоянная зависимость от уровня заряда батареи.

Есть и «пассивные» экзоскелеты: им не требуются ни аккумуляторы, ни провода. Они приводятся в действие силами самого оператора, работая на перераспределении кинетической энергии. Пассивные экзоскелеты нашли широкое применение в промышленности и медицине: они весят меньше, просты в использовании и финансово более доступны.

Впрочем, как и у любых экспериментальных разработок, разделение экзоскелетов по типам и отраслям довольно условное: когда новую модель придумывают с нуля, решения могут оказаться самыми разными.

От земли и до самого неба

Следует отличать экзоскелет от силовой брони, супергеройского костюма и уж тем более — от огромного робота-меха из BattleTech, которым управляет спрятанный в кабине пилот. Несмотря на внешнюю схожесть этих механизмов, у них слишком разное назначение и комплектация: экзоскелет может быть составной частью скафандра или боевого доспеха, но ни защитные, ни боевые функции в его базовый набор не входят.

Экзоскелет может принять на себя вес брони, в разы усилить человеческую грузоподъёмность, повысить скорость движений: оператор получает возможность прыгать дальше, бегать быстрее, дольше двигаться без усталости — и легче преодолевать препятствия (в том числе напролом). Cиловой доспех космодесантника и костюм Железного человека базируются на одной технологии: на идее спрятанного в металлическом каркасе экзоскелета, который одним своим присутствием обеспечивает оператору улучшение всех его способностей, всех навыков. Это мечта человека стать чем-то большим — и способ достигнуть большего. С тех самых пор, как в 1959 году вышел «Звёздный десант» Роберта Хайнлайна, поклонники фантастики стали ждать, когда же такая технология появится в реальности.

Долго ждать не пришлось: первый известный миру экзоскелет, Hardiman, был создан в 1965 году американской компанией General Electric. Он стал совместной разработкой сухопутных вооружённых сил и военно-морского флота. Целью проекта обозначили «расширение человеческих возможностей посредством увеличения грузоподъёмной силы». Модель состояла из внутреннего костюма, закреплённого непосредственно на операторе, и внешнего каркаса, который и принимал на себя вес переносимых объектов.

Планировалось, что Hardiman увеличит силу оператора в двадцать пять раз: это означало, что, поднимая груз массой 680 килограммов, человек должен был приложить усилия, необходимые для поднятия всего лишь 27 килограммов. Но до полноценных испытаний дело не дошло: работа механизма оказалась нестабильной, из-за чего оператор рисковал получить травмы. На разработку Hardiman ушло шесть лет, однако из-за его тяжеловесности (экзоскелет весил три четверти тонны) и постоянных сбоев системы проект пришлось признать неудачным. Зато он остался в истории как научный прорыв и вдохновил на дальнейшие исследования учёных по всему миру.

В разработке экзоскелетов в равной степени заинтересованы военные, представители медицинской сферы, промышленные концерны и пионеры космического производства. Не все современные экзоскелеты представляют собой полноценный роботизированный «костюм» — большинству компаний целесообразнее разрабатывать отдельные каркасы для верхних и нижних конечностей и при необходимости собирать их в единую систему.

Подобные «половинчатые» экзоскелеты, не отягощённые лишними деталями, стоят дешевле и легче находят себе применение в узкоспециализированных областях. В медицине их используют при снижении у пациентов мышечной силы в результате болезни или травмы — или же если необходимо уменьшить нагрузку на позвоночник во время тренировок и в повседневной жизни. Хороший пример можно увидеть во вселенной Marvel: когда Джеймс «Воитель» Роудс был ранен во время событий фильма «Первый мститель: Противостояние» и потерял возможность ходить, Тони Старк сконструировал ему специальный экзоскелет для ног, призванный не только восстановить мобильность друга, но и помочь его дальнейшей реабилитации.

В реальности некоторые модели тоже оснащают подсистемами, которые помогают человеку восстановить утраченные возможности: один из лидеров индустрии, японская компания Сyberdyne, разработала для своего флагманского экзоскелета HAL («вспомогательная гибридная конечность») специальные датчики, которые улавливают нервные сигналы пациента и без дополнительных стимулов преобразуют их в команды мышцам. Предполагается, что подобная обратная связь между человеком и машиной помогает парализованному или ослабленному пациенту быстрее восстановить контроль над собственным телом. В схожей сфере работает новозеландская компания REX Bionics: она разработала экзоскелет, позволяющий пациентам с нарушением подвижности ходить без использования костылей. Выдающихся результатов достигли и компании ReWalk и Ekso Bionics: их модели медицинских экзоскелетов уже доступны в разных странах мира. Эти устройства применяются при реабилитации после инсульта и травмы спинного мозга, а также помогают пациентам с параличом конечностей самостоятельно передвигаться, стоять и даже подниматься по лестнице.

О разработках экзоскелетов в военных целях после провала с Hardiman мало что было слышно. Проект закрыли в 1971 году, через двенадцать лет после первой публикации «Звёздного десанта»; идея продолжала жить на страницах фантастических книг и комиксов, но исчезла из заголовков новостей. Единичные разработки, о которых становилось известно общественности, оставались на уровне прототипов. Только в двухтысячных сформировался достаточный базис для серьёзных исследований, с перспективой серийного производства. Модели начали появляться одна за другой: сразу несколько компаний в разных уголках мира разработали оригинальные концепты роботизированных костюмов.

Значительным прорывом стал американский экзоскелет HULС («универсальное грузовое средство для человека»), разработанный специально для военной пехоты и прошедший лабораторные испытания в 2010 году. Экзоскелет весит 24 килограмма (не учитывая элементы питания) и позволяет солдату без особых усилий переносить груз до 91 килограмма, двигаясь по пересечённой местности со скоростью от 11 до 16 километров в час. В зависимости от задания в экзоскелет можно встроить дополнительные датчики, систему отопления или охлаждения, добавить защиту. В феврале 2012 года экзоскелет HULC был представлен на ежегодной конференции TED. Модель не только позволяла с лёгкостью переносить грузы, но и прибавляла оператору выносливости, не снижая ловкости: в экзоскелете можно было ползти и глубоко приседать.

Весной 2018 года, после многих лет разработок, китайская компания Norinco тоже представила свой новый прототип, разработанный для военных нужд: эта модель позволяет пехотинцу переносить на себе до 45 килограммов, развивая при этом скорость до четырёх километров в час.

Но ближе всего к стереотипной фантастической броне подобрался американский TALOS («тактический лёгкий штурмовой костюм»), первый концепт которого представили публике ещё в 2013 году. В отличие от других своих собратьев, TALOS разрабатывался для отрядов специального назначения и учитывал специфику их службы: прототипы не только усиливали физическую мощь, но и обладали пуленепробиваемой внешней оболочкой, чем поднимали идею средневековых доспехов на качественно новый уровень. Встроенные в TALOS датчики должны были отслеживать состояние здоровья оператора, приборы ночного видения — увеличивать его обзор, упрощая процесс сбора необходимой информации. В мае 2018-го было объявлено, что пилотируемые испытания начнутся весной следующего года. Но в феврале 2019-го информацию опровергли: разработчики не смогли совладать с трудностями взаимодействия подсистем. Представитель Командования специальных операций США признал, что прототип в настоящее время не готов для работы в обстановке ближнего боя.

А что же Россия? Сообщается, что в данный момент ведётся разработка экзоскелета для третьего поколения боевой экипировки «Ратник»: кроме увеличения силы и выносливости оператора, новый прототип будет включать в себя подсистемы жизнеобеспечения, управления и связи, защиты и энергосбережения. Предположительно, боевой костюм будет готов к эксплуатации в 2022 году.

С 2012 года NASA участвует в разработке экзоскелета X1. На Земле он может применяться как вспомогательное устройство для ходьбы, в космосе — будет универсальным тренажёром, поддерживающим здоровье экипажа во время исследовательских миссий. Экзоскелет весит 26 килограммов (а в условиях невесомости — нисколько), крепится на ноги и фиксируется ремнями безопасности на спине и плечах. Если встроить Х1 в скафандр, он значительно облегчит астронавтам выход в открытый космос и спуск на поверхность далёких планет.

Но главная особенность Х1 заключается в широком диапазоне его настроек: если другие экзоскелеты создаются для облегчения человеческой жизни, то Х1 при необходимости может её усложнить, заставив оператора прилагать дополнительные усилия при совершении элементарных действий. В условиях пониженной гравитации Х1 может обеспечить мышечное сопротивление в бёдрах, коленях и лодыжках, имитируя необходимый комплекс общих упражнений. Кроме этого, экзоскелет X1 в режиме реального времени собирает данные о состоянии суставов и мышечной силе пользователя, помогая точнее подобрать необходимую астронавту терапию или корректируя его передвижение в малознакомой среде и оказывая помощь при переноске тяжёлых грузов. Разработка и усовершенствование Х1 активно продолжаются по сей день.

Сложности и перспективы

X1 выглядит по-космически стильно (Фото: Robert Markowitz

Над созданием опытного образца, который достойно смотрелся бы даже в научной фантастике, учёные бьются больше полувека. Процесс идёт маленькими шагами, но с каждым новым прототипом человечество приближается к цели. Постепенно сдаёт позиции проблема громоздкости: благодаря современным материалам и технологиям, в частности 3D-печати и новым сплавам, детали экзоскелетов стало легче изготавливать, а весят они в итоге меньше. Сложнее всего с источниками энергии. Пока что от их размера напрямую зависит время автономной работы экзоскелета: чем больше батарея в заплечном ранце оператора, тем дольше он сможет двигаться в своём роботизированном костюме. Конструируя броню Железного человека, Тони Старк из вселенной Marvel прежде всего бился именно с проблемой бесперебойного питания — и нашёл решение, применив холодный ядерный синтез. В реальности современные учёные предпочитают литий-полимерные аккумуляторы — ничего лучше пока не изобрели.

Но при решении старых проблем возникают новые. Создание экзоскелета отягощено разнообразными трудностями — и главная из них заключается в синхронизации подсистем: не так-то просто настроить слаженную работу всех программ, обеспечивающих симбиоз механики с человеческим организмом. Предполагается, что, пройдя необходимое обучение и прочие этапы подготовки, оператор сможет управлять экзоскелетом бессознательно, на уровне рефлексов. Успешный прототип должен чутко реагировать на все импульсы, исполняя команды в точности и без задержек. Калибровка датчиков движения, работа с контроллерами, передача экзоскелету сигналов от нервных окончаний — это словно попытка объединить два мира в третий, не нарушив их целостности и научив гармонично сосуществовать. В фильме Нила Бломкампа «Элизиум: Рай не на Земле» (2013) проблему синхронизации решали путём прямого подключения экзоскелета к нервной системе человека — для этого нужна была многоступенчатая и болезненная хирургическая операция. Для реального мира такой вариант чересчур радикален — вместо этого повышают чувствительность кожных сенсоров.

Другая проблема разработки экзоскелетов — высокая себестоимость итогового продукта. На разработку одного прототипа уходит 5–7 лет, а потоковое производство редко достигает масштабов хотя бы тысячи экземпляров. Покупка экзоскелетов остаётся прерогативой крупных компаний, военных и медицинских учреждений — обычному потребителю такая роскошь не по карману. Как правило, операторы оказываются пользователями, но не владельцами своих роботизированных костюмов.

Наконец, ещё одна трудность складывается из предыдущих — и усугубляется традицией государственной тайны: из-за того, что прототипов мало и они редко доступны для изучения, разработчикам из разных уголков планеты приходится снова и снова решать одни и те же проблемы. Мало кому удаётся использовать чужие наработки и применять уже полученный научным сообществом опыт. Курируемые военными проекты в большинстве своём засекречены — возможно, даже о первом в мире экзоскелете мир узнал лишь благодаря его абсолютной практической бесполезности.

Но учёные и не думают сдаваться. Помимо применения в военных, космических и медицинских целях, экзоскелеты способны облегчить жизнь представителям самых разных профессий. Например, они пригодятся стоматологам, электрикам, кинооператорам и художникам — то есть всем, кому приходится ежедневно длительное время держать руки на весу. Не говоря уже о спасателях и врачах, от чьей силы и выносливости напрямую зависят человеческие жизни.

Среди компаний, внедряющих использование экзоскелетов на производстве, отметились Ford и Boeing. А в начале 2019 года к ним присоединилась и Toyota, заказав партию экзоскелетов у американской компании Levitate Technologies: эта модель проста в использовании и не ограничивает свободу движений. Систему тросов и пружин используют для облегчения нагрузки при работе с поднятыми над головой руками: активируясь, система работает как противовес, придавая движениям плавность. По словам производителей, у рабочих, опробовавших их модели, стали меньше болеть плечи и спина.

Созданием вспомогательных экзоскелетов занялись и в Южной Корее: прототипы предназначены для рабочих на верфи, которым ежедневно приходится поднимать тяжёлые грузы. Спроектированный Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering экзоскелет рассчитан на три часа автономной работы и может поднимать предметы весом до 30 килограммов, позволяя передвигаться в нормальном темпе. Если раньше экзоскелеты разрабатывали для военных и медиков, то подъём грузов — это уже вполне повседневная задача, а если технологию стараются приспособить к быту — тут уже недалеко и до её применения в индустрии развлечений.

Подобное расширение специализации, переход от острой необходимости к применению по желанию и постепенное внедрение экзоскелетов в различные отрасли дают надежду на то, что скоро они распространятся и в повседневной жизни. В усиливающем экзоскелете даже закручивать лампочки станет гораздо интереснее.