Půl století po zahájení prací v oblasti exoskeletů jsou první vzorky tohoto zařízení připraveny jít do plnohodnotné práce. Společnost Lockheed Martin se nedávno pochlubila, že její projekt HULC (Human Universal Load Carrier) byl nejen testován v terénu s Pentagonem, ale je připraven i pro sériovou výrobu. Exoskeleton HULC nyní „dýchá do zad“několika podobnými projekty od jiných společností. Ale takové množství návrhů nebylo vždy.
Ve skutečnosti se myšlenka vytvoření jakéhokoli zařízení, které by člověk mohl nosit a výrazně zlepšit jeho fyzické vlastnosti, objevila v první polovině minulého století. Do určité doby to však byl jen další pojem spisovatelů sci -fi. Vývoj prakticky použitelného systému byl zahájen teprve na samém konci padesátých let. General Electric pod záštitou americké armády zahájila projekt s názvem Hardiman. Technický úkol byl odvážný: exoskeleton od GE měl umožnit člověku operovat s břemeny o hmotnosti až jeden a půl tisíce liber (asi 680 kilogramů). Pokud by byl projekt úspěšně dokončen, měl by exoskeleton Hardiman velké vyhlídky. Armáda tedy zamýšlela použít novou technologii k usnadnění práce zbrojařů v letectvu. Kromě toho byli „ve frontě“jaderní vědci, stavitelé a zástupci mnoha dalších průmyslových odvětví. Ale ani deset let po zahájení programu nebyli inženýři General Electric schopni přeložit vše, co bylo koncipováno do kovu. Bylo postaveno několik prototypů, včetně fungujícího mechanického ramene. Obrovský dráp Hardymenů byl poháněn hydraulicky a dokázal zvednout 750 liber nákladu (přibližně 340 kg). Na základě jedné funkční „rukavice“bylo možné vytvořit druhou. Konstruktéři ale narazili na další problém. Mechanické „nohy“exoskeletu nechtěly správně fungovat. Prototyp Hardiman s jednou rukou a dvěma podpěrnými nohami vážil méně než 750 kilogramů, přičemž maximální konstrukční kapacita byla menší než jeho vlastní hmotnost. Kvůli této hmotnosti a zvláštnostem centrování exoskeletu při zvedání břemene začala celá struktura často vibrovat, což vedlo k několikerému převrácení. S hořkou ironií nazvali autoři projektu tento fenomén „mechanický tanec svatého Víta“. Bez ohledu na to, jak tvrdě bojovali konstruktéři General Electric, nedokázali se vyrovnat s vyrovnáním a vibracemi. Na samém začátku 70. let byl projekt Hardiman uzavřen.
V následujících letech se práce ve směru exoskeletonů staly neaktivními. Čas od času se jimi začaly zabývat různé organizace, ale téměř vždy se požadovaný výsledek nedostavil. Účelem vytvoření exoskeletu přitom nebylo vždy jeho vojenské využití. V 70. letech zaměstnanci Massachusettského technologického institutu bez velkého úspěchu vyvinuli vybavení této třídy určené k rehabilitaci zdravotně postižených osob s poraněním pohybového aparátu. V té době bohužel inženýři také překáželi synchronizaci různých částí obleku. Je třeba poznamenat, že exoskeletony mají řadu charakteristických rysů, které jejich tvorbu trochu neulehčují. Významné zlepšení fyzických schopností lidského operátora tedy vyžaduje vhodný zdroj energie. Ten zase zvyšuje rozměry a vlastní hmotnost celého zařízení. Druhý zádrhel spočívá v interakci osoby a exoskeletu. Princip fungování takového zařízení je následující: člověk provádí jakýkoli pohyb paží nebo nohou. Speciální senzory spojené s jeho končetinami přijímají tento signál a přenášejí příslušný příkaz na ovládací prvky - hydraulické nebo elektrické mechanismy. Současně s vydáváním příkazů tyto stejné senzory zajišťují, aby pohyb manipulátorů odpovídal pohybům obsluhy. Kromě synchronizace amplitud pohybů stojí inženýři také před problémem načasování. Jde o to, že každý mechanik má určitou reakční dobu. Proto by měl být minimalizován za účelem dostatečného pohodlí při používání exoskeletu. V případě malých, kompaktních exoskeletů, na které se nyní klade důraz, má synchronizace pohybů člověka a stroje zvláštní prioritu. Protože kompaktní exoskeleton neumožňuje zvětšení nosné plochy atd., Může mechanika, která nemá čas se s osobou pohybovat, nepříznivě ovlivnit použití. Například předčasný pohyb mechanické „nohy“může vést k tomu, že člověk jednoduše ztratí rovnováhu a upadne. A to zdaleka nejsou všechny problémy. Lidská noha má zjevně méně stupňů volnosti než ruka, nemluvě o ruce a prstech.
Nejnovější historie vojenských exoskeletonů začala v roce 2000. Poté americká agentura DARPA zahájila zahájení programu EHPA (Exoskeletons for Human Performance Augmentation - Exoskeletons for increase human performance). Program EHPA byl součástí většího projektu Land Warrior s cílem vytvořit vzhled vojáka budoucnosti. V roce 2007 byl ale Land Warrior zrušen, ale jeho exoskeletonová část pokračovala. Cílem projektu EHPA bylo vytvoření tzv. kompletní exoskelet, který obsahoval zesilovače pro lidské paže a nohy. Současně nebyly nutné žádné zbraně ani rezervace. Úředníci odpovědní za DARPA a Pentagon dobře věděli, že současný stav v oblasti exoskeletonů jednoduše neumožňuje vybavit je dalšími funkcemi. Z referenčních podmínek programu EHPA tedy vyplývá pouze možnost dlouhodobého nošení vojáka v exoskeletu nákladu o hmotnosti asi 100 kilogramů a zvýšení jeho rychlosti pohybu.
Sacros a University of Berkeley (USA), stejně jako japonské systémy Cyberdyne Systems, vyjádřily přání podílet se na vývoji nové technologie. Od zahájení programu uplynulo dvanáct let a během této doby prošlo složení účastníků několika změnami. Sacros se nyní stal součástí koncernu Raytheon a z oddělení univerzity s názvem Berkeley Bionics se stala divize společnosti Lockheed Martin. Tak či onak, nyní existují tři prototypy exoskeletonů vytvořených v rámci programu EHPA: Lockheed Martin HULC, Cyberdyne HAL a Raytheon XOS.
První z uvedených exoskeletů - HULC - plně nesplňuje požadavky DARPA. Faktem je, že 25kilogramová konstrukce obsahuje pouze zádový opěrný systém a mechanické „nohy“. Ruční podpora není v HULC implementována. Současně se zvyšují fyzické schopnosti operátora HULC díky tomu, že prostřednictvím systému opěr zad se většina zatížení paží přenáší na silové prvky exoskeletu a v konečném důsledku „jde“do země. Díky použitému systému může voják přepravit až 90 kilogramů nákladu a zároveň zažít náklad, který splňuje všechny armádní standardy. HULC je napájen lithium-iontovou baterií, která vydrží až osm hodin. V ekonomickém režimu může člověk v exoskeletu chodit rychlostí 4-5 kilometrů za hodinu. Maximální možná rychlost HULC je 17-18 km / h, ale tento režim provozu systému výrazně zkracuje dobu provozu z jednoho nabití baterie. Lockheed Martin do budoucna slibuje vybavení HULC palivovými články, jejichž kapacita bude stačit na jeden den provozu. V dalších verzích navíc návrháři slibují „robotické“ruce, což výrazně zvýší možnosti uživatele exoskeletu.
Raytheon zatím představil dva poněkud podobné exoskeletony s indexy XOS-1 a XOS-2. Liší se hmotnostními a velikostními parametry a v důsledku toho řadou praktických vlastností. Na rozdíl od HULC je rodina XOS vybavena systémem odlehčení ruky. Oba tyto exoskeletony dokážou zvednout zhruba 80-90 kilogramů vlastní hmotnosti. Je pozoruhodné, že konstrukce obou XOS vám umožňuje instalovat různé manipulátory na mechanická ramena. Je třeba poznamenat, že XOS-1 a XOS-2 mají zatím značnou spotřebu energie. Z tohoto důvodu ještě nejsou autonomní a vyžadují externí napájení. V souladu s tím nepřichází v úvahu maximální cestovní rychlost a životnost baterie. Podle Raytheona však potřeba kabelového napájení nebude překážkou pro použití XOS ve skladech nebo na vojenských základnách, kde je vhodný zdroj elektřiny.
Třetím vzorkem programu EHPA je Cyberdyne HAL. Dnes je relevantní verze HAL-5. Tento exoskelet je do jisté míry směsicí prvních dvou. Stejně jako HULC lze používat samostatně - baterie vydrží 2,5-3 hodiny. S rodinou XOS vývoj Cyberdyne Systems spojuje „úplnost“designu: zahrnuje podpůrné systémy pro ruce i nohy. Nosnost HAL-5 však nepřesahuje několik desítek kilogramů. Podobná je situace s rychlostními kvalitami tohoto vývoje. Faktem je, že japonští návrháři se nesoustředili na vojenské použití, ale na rehabilitaci zdravotně postižených lidí. Je zřejmé, že takoví uživatelé jednoduše nepotřebují vysokou rychlost ani nosnost. Pokud tedy bude mít armáda zájem o HAL-5 v jeho současném stavu, bude možné na jeho základě vyrobit nový exoskeleton, zostřený pro vojenské použití.
Ze všech možností slibných exoskeletů, které byly předloženy do soutěže EHPA, zatím testování ve spolupráci s armádou dosáhl pouze HULC. Řada funkcí jiných projektů stále neumožňuje zahájení jejich terénních zkoušek. V září bude po částech zasláno několik souprav HULC ke studiu vlastností exoskeletu v reálných podmínkách. Pokud vše půjde hladce, začne v letech 2014–15 velkovýroba.
Mezitím budou mít vědci a designéři lepší koncepty a návrhy. Nejočekávanější inovací v oblasti exoskeletů jsou robotické rukavice. Stávající manipulátory zatím nejsou příliš vhodné pro používání nástrojů a podobných předmětů určených k ručnímu použití. Vytvoření takových rukavic je navíc spojeno s řadou obtíží. Obecně jsou podobné těm z jiných sestav exoskeletů, ale v tomto případě jsou problémy se synchronizací zhoršeny velkým počtem mechanických prvků, rysy pohybu lidské ruky atd. Dalším krokem ve vývoji exoskeletů bude vytvoření neuroelektronického rozhraní. Nyní je pohyb mechaniky řízen senzory a servopohony. Pro inženýry a vědce je výhodnější použití řídicího systému s elektrodami, které odstraňují lidské nervové impulsy. Takový systém mimo jiné sníží reakční dobu mechanismů a v důsledku toho zvýší účinnost celého exoskeletu.
Pokud jde o praktické uplatnění, za poslední půlstoletí se názory na něj téměř nezměnily. Armáda je stále považována za hlavní uživatele slibných systémů. Mohou používat exoskeletony k nakládacím a vykládacím operacím, přípravě munice a navíc v bojové situaci k posílení schopností bojovníků. Je třeba poznamenat, že nosnost exoskeletonů bude užitečná nejen pro armádu. Rozsáhlé používání technologií, které člověku umožňují výrazně zvýšit jeho fyzické schopnosti, může změnit tvář veškeré logistiky a nákladní dopravy. Například čas naložení nákladního návěsu bez vysokozdvižných vozíků se sníží o desítky procent, což zvýší účinnost celého přepravního systému. A konečně, nervově ovládané exoskelety pomohou postiženým podporovat lidi, aby mohli znovu žít plnohodnotný život. Navíc jsou na neuroelektronickém rozhraní spojeny velké naděje: v případě poranění páteře atd. Při úrazech nemusí signály z mozku dosáhnout konkrétní oblasti těla. Pokud je „zachytíme“do poškozené oblasti nervu a pošleme je do řídicího systému exoskeletu, pak již osoba nebude upoutána na invalidní vozík nebo postel. Vojenský vývoj tak může opět zlepšit život nejen armádě. Prozatím, při vytváření velkých plánů, byste si měli pamatovat na zkušební provoz exoskeletu Lockheed Martin HULC, který začne až na podzim. Na základě jeho výsledků bude možné posoudit jak vyhlídky celého odvětví, tak zájem o něj ze strany potenciálních uživatelů.
