미래의 외골격. 외골격

19.09.2019

소리의 속도로 공기를 가르고 철제 슈트의 솔기 부분에 팔을 뻗은 채 수평선을 향해 돌진합니다. 눈 깜짝할 사이에 교통 체증에 갇힐 필요 없이 세계 어느 곳에서나 자신을 발견할 수 있습니다. 비행기나 더 강한 장치에 탑승하지 않고 날개 없이 비행합니다. 토니 스타크의 가장 멋진 순간(물론 아이언맨 슈트를 입은)의 입장에 있고 싶지 않은 사람이 나에게 돌을 던지도록 하세요. 부분적으로 이러한 꿈은 외부 프레임으로 인해 사람의 능력(주로 육체적, 근력)을 증가시킬 수 있는 장치인 외골격을 통해 실현될 수 있습니다. 이 자료에서는 이 장치가 무엇인지, 이미 어떤 개발이 이루어졌는지, 그리고 앞으로 기술이 어떻게 발전할 것인지 알려드리겠습니다.

엘라스티프에서 '아이언맨'으로

요즘 외골격은 최대 2~2.5m 높이의 기계 슈트 또는 그 일부를 의미합니다. 다음은 "모빌 슈트", 기계 및 기타 거대한 인간형 로봇입니다.

우리 삶의 다른 많은 것들과 마찬가지로 외골격도 점차 꿈과 일상을 가르는 경계를 넘나들고 있습니다. 원래 공상 과학 소설의 아이디어, 개념, 신화 및 전설에 불과했지만 오늘날에는 새로운 버전의 외골격이 거의 매주 등장합니다.

외골격의 첫 번째 발명가는 러시아의 "기계 엔지니어"인 Nikolai Ferdinandovich Yagn으로 간주됩니다. 그는 1890년대에 이 주제에 대해 많은 특허를 등록했습니다. 그는 미국에 살았으며 실제로 그곳에서 자신의 기적에 대한 특허를 취득하고 전시회에서 전시했으며 고국으로 돌아와서 기적을 재발명했습니다. 그의 외골격은 애초에 군인의 걷기, 달리기, 점프를 더 쉽게 만들어 주기로 되어 있었습니다. 그럼에도 불구하고 러시아의 천재는 그러한 장치의 잠재적인 군사력을 예견했습니다.

니콜라이
페르디난도비치 얀

외골격 외에도 Yagn은 냉각 커튼, 유압 모터, 스윙 프로펠러, 사모바르 살균기 및 기타 장치를 개발했습니다.

하디만

SF 작가들이 외골격 개발에 거대하고 막대한 공헌을 했다는 사실을 부정하지 맙시다. 1959년, 로버트 하인라인(Robert Heinlein)의 호평을 받은 소설 "스타쉽 트루퍼스(Starship Troopers)" 이후 외부 프레임 슈트가 군사 작전 등의 미래라는 것이 모든 사람에게 분명해졌습니다. 그리고 우리는 간다.

최초의 외골격은 1960년대 미국 국방부의 지원을 받아 General Electric이 제작했습니다. Hardiman의 무게는 680kg이며 최대 110kg의 하중을 들어 올릴 수 있습니다. 그 모든 거대한 야망에도 불구하고 그들은 그것을 물속에서, 우주에서 사용하고 탄두와 핵막을 운반하기를 원했지만 최선의 방법으로 그 자체를 보여주지 못했습니다. 그들은 편리하게도 그에 대해 잊어버렸습니다.

발명가 Leslie S. Kelly가 1917년에 개발한 외골격을 모호하게 연상시키는 "보도 모터" 장치

여러 나라의 각기 다른 시기에 장인들은 다양한 목적을 위해 외골격을 만들려고 노력했지만 다양한 장애물(나중에 설명할)로 인해 매우 저조한 성공을 거두었습니다. 에너지 자원 부족, 과학 및 기술 진보의 느린 성장, 재료 과학 및 기타 관련 과학의 발전, 컴퓨터 컴퓨팅 및 사이버네틱스의 발전은 약 30년 전만 해도 급증했지만 이 모든 것이 둔화되었습니다. 외골격의 발달. 의심의 여지 없이 이는 사람들이 아직 마스터하지 못한 가장 복잡한 기술입니다.

외골격 문제

이 행성에는 견고한 프레임을 만들 수 있고 무게로 인해 문제가 악화되지 않는 재료가 많지 않습니다. 어쨌든 그 수는 많지 않았지만 우주 비행, 군사 발전, 재료 과학의 발전, 나노 기술 및 기타 수십 가지 흥미로운 분야를 고려하면 인류는 점차 장벽을 하나씩 넘어 가고 있습니다. 21세기 초, 외골격에 대한 관심은 놀라운 힘으로 불타올랐고 오늘날까지도 계속 불타오르고 있습니다. 하지만 먼저 외골격 제작자가 직면한 주요 문제에 대해 이야기해 보겠습니다.

가상의 외골격을 구성 요소로 분해하면 전원, 기계 골격 및 소프트웨어가 있습니다. 그리고 마지막 두 점으로 모든 것이 명확해 보이고 문제가 거의 남아 있지 않다면 전원 공급 장치에 심각한 문제가 있는 것입니다. 정상적인 전원을 사용하면 엔지니어는 외골격을 만들 수 있을 뿐만 아니라 이를 우주복 및 제트팩과 결합할 수도 있습니다. 그 결과는 아마도 아이언맨 슈트가 될 것이지만 새로운 토니 스타크는 아직 등장하지 않았다.

오늘날의 모든 소형 전원은 외골격에 단 몇 시간의 배터리 수명만 제공할 수 있습니다. 다음은 전선에 대한 의존성입니다. 비충전식 배터리와 충전용 배터리는 각각 교체가 필요하거나 충전이 느린 등의 한계가 있습니다. 내연기관은 신뢰성이 매우 높아야 하지만 특별히 컴팩트할 필요는 없습니다. 또한, 후자의 경우 추가적인 냉각 시스템이 필요하게 되며, 내연기관 자체가 많은 양의 에너지를 순간적으로 방출하도록 구성하기가 어렵다. 전기화학적 연료전지는 액체 연료(예: 메탄올)로 빠르게 채워질 수 있으며 원하는 즉각적인 에너지 출력을 제공하지만 매우 높은 온도에서 작동합니다. 섭씨 600도는 이러한 전원의 경우 상대적으로 낮은 온도입니다. 그것으로 "아이언맨"은 핫도그로 변할 것입니다.

이상하게도 미래의 외골격 연료 문제에 대한 가장 가능한 해결책은 가장 불가능할 수도 있습니다. 바로 무선 에너지 전송입니다. 임의의 대형 원자로(핵 원자로 포함)에서 전송될 수 있기 때문에 많은 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 어떻게? 질문은 열려 있습니다.

최초의 외골격은 저렴하고 사용하기 쉬운 알루미늄과 강철로 만들어졌습니다. 하지만 강철은 너무 무거워서 외골격도 자체 무게를 들어 올리려면 작동해야 합니다. 따라서 슈트가 무거우면 효과가 떨어집니다. 알루미늄 합금은 매우 가볍지만 피로가 누적되므로 특히 고하중에는 적합하지 않습니다. 엔지니어들은 티타늄이나 탄소 섬유와 같은 가볍고 강한 소재를 찾고 있습니다. 필연적으로 비용이 많이 들지만 외골격의 효율성을 제공할 것입니다.

드라이브는 특별한 문제를 야기합니다. 표준 유압 실린더는 강력하고 정밀하게 작동할 수 있지만 무겁고 엄청난 양의 호스와 튜브가 필요합니다. 반면에 공압 장치는 압축된 가스 스프링과 반력이 액추에이터를 밀어내기 때문에 핸들링 동작 측면에서 예측하기가 너무 어렵습니다.

그러나 자석을 사용하고 최소한의 전력을 소비하고 작으면서도 반응성이 뛰어난 움직임을 제공하는 새로운 전자 기반 서보가 개발되고 있습니다. 이것을 증기기관차에서 기차로의 전환과 비교할 수 있습니다. 또한 관절이 가져야 하는 유연성에 주목해 보겠습니다. 그러나 여기서 외골격 문제는 우주복 개발자가 해결할 수 있습니다. 또한 착용자의 사이즈에 맞게 슈트를 조정하는 방법을 알아내는 데 도움이 될 것입니다.

제어

외골격을 만들 때 특히 어려운 점은 과도하고 원치 않는 움직임을 관리하고 규제하는 것입니다. 멤버별로 반응속도가 똑같은 외골격을 그냥 만들 수는 없습니다. 이러한 메커니즘은 사용자에게 너무 빠를 수 있지만 너무 느리게 만드는 것은 효과적이지 않습니다. 반면에 사용자에게 의존할 수 없으며 센서가 신체 움직임의 의도를 읽는다고 믿을 수 없습니다. 사용자와 슈트의 움직임이 동기화되지 않으면 부상을 입을 수 있습니다. 두 행위자 모두를 제한해야 합니다. 엔지니어들은 이 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 고심하고 있습니다. 또한, 우발적인 재채기나 기침으로 인해 구급차가 호출되는 일이 없도록 의도하지 않거나 원치 않는 움직임을 사전에 감지해야 합니다.

외골격과 미래

2010년 사코스(Sarcos)와 레이시온(Raytheon)은 미 국방부와 함께 XOS 2 전투용 외골격을 선보였으며, 2년 전 첫 번째 프로토타입이 나왔지만 큰 호응을 얻지 못했다. 그러나 XOS 2는 너무나 멋진 것으로 밝혀져 타임지(Time Magazine)가 올해의 상위 5대 군사 혁신 목록에 외골격을 포함시켰습니다. 그 이후로 세계 최고의 엔지니어들은 전장에서 이점을 제공할 수 있는 외골격을 만들기 위해 열심히 노력해 왔습니다. 그리고 외부에서도 마찬가지입니다.

오늘 우리는 무엇을 가지고 있습니까?

이 외골격은 2011년에 출시되었으며 장애인을 위해 설계되었습니다. 2013년 1월에는 업데이트 버전인 ReWalk Rehabilitation이 출시되었으며, 이미 2014년 6월에 FDA는 외골격의 공공 및 가정에서의 사용을 승인하여 상업적인 길을 열었습니다. 시스템의 무게는 약 23.3kg이고 Windows에서 실행되며 걷기, 앉기, 서기의 세 가지 모드가 있습니다. 비용 : 70 ~ 85,000 달러.

일련의 군용 외골격이 활발히 개발되고 있습니다(XOS 3가 다음 단계입니다). 무게는 약 80kg이며 소유자가 추가로 90kg을 쉽게 들어 올릴 수 있습니다. 최신 모델의 슈트는 매우 유연하여 공을 가지고 놀 수 있습니다. 제조업체에 따르면 하나의 XOS가 군인 3명을 대체할 수 있습니다. 아마도 3세대 외골격은 우리가 최근 몇 년간 공상 과학 영화에서 보는 것과 더 가까워질 것입니다. 아아, 지금은 외부 전원에 연결되어 있습니다.

Human Universal Load Carrier는 유명한 회사인 Lockheed Martin이 Berkeley Bionics와 함께 만든 제품입니다. 이 외골격은 군용으로도 제작되었습니다. 기본은 유압 장치 및 리튬 폴리머 배터리입니다. 외부 프레임을 올바르게 적재하면 사용자는 이를 사용하여 최대 140kg의 초과 화물을 운반할 수 있습니다. 군인들은 '나와 내 친구 트럭'으로 HULC를 72시간 동안 이용할 수 있을 것으로 예상된다. 개발이 본격화되고 있으므로 HULC가 미국에서 가장 먼저 서비스를 시작하는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

ExoHiker, ExoClimber 및 eLEGS(Ekso)

프로토타입은 다양한 작업을 수행하도록 설계된 Berkeley Bionics입니다. 첫 번째는 여행자가 최대 50kg의 짐을 운반하는 데 도움이 되는 것으로 2005년 2월에 도입되었으며 무게는 약 10kg입니다. 작은 태양전지판을 고려하면 매우 오랫동안 작동할 수 있습니다. ExoClimber는 착용자가 점프하고 계단을 오를 수 있도록 ExoHiker에 추가된 10kg의 제품입니다. 2010년 Berkeley Bionics의 개발로 eLEGS가 탄생했습니다. 이 시스템은 마비된 사람들이 걷고 서도록 하는 본격적인 유압 외골격이다. 2011년에 eLEGS는 Ekso로 이름이 변경되었습니다. 무게는 20kg이고 최고 속도는 3.2km/h로 움직이며 6시간 동안 작동한다.

일본 로봇 제조업체 Cyberdyne의 또 다른 놀라운 외골격입니다. 그 목적은 장애인에게 걸을 수 있는 능력을 제공하는 것입니다. HAL-3과 HAL-5의 두 가지 주요 변형이 있습니다. HAL은 2011년 발표 이후 1년도 채 되지 않아 전국 130개 이상의 의료기관에서 채택됐다. 그러나 테스트는 2014년과 2015년에도 계속될 예정입니다. 2013년 8월, HAL은 유럽에서 의료 로봇으로 사용할 수 있는 백지 위임장을 받았습니다. 최신 모델의 슈트 무게는 약 10kg입니다.

의료용 외골격의 평균 비용 -
9 만 달러.

심각한 전신 외골격 외에도 특정 작업을 수행하도록 설계된 제한된 외골격이 점점 인기를 얻고 있습니다. 일례로 올해 8월에는 선 채로 앉을 수 있는 의자 없는 의자(Chairless Chair)가 출시됐다. 대우와 록히드 마틴은 조선소 근로자를 위한 외골격을 독립적으로 시연했습니다. 이 장치를 사용하면 작업자는 너무 많은 힘을 가하지 않고도 최대 30kg의 하중이나 도구를 잡을 수 있습니다.

러시아에서는 모스크바 주립대학교 기계연구소에 모인 과학자 팀이 'ExoAtlet'이라는 외골격 개발을 진행하고 있습니다. 그들은 위에서 언급한 소련에서 시작된 Vukobratovich의 개발을 계속합니다. 이 팀이 최초로 작동하는 수동 외골격은 응급 구조대원, 소방관, 구조대원을 위해 개발되었습니다. 무게는 12kg으로 최대 100kg의 화물을 쉽게 운반할 수 있는 디자인입니다. 회사는 최대 200kg까지 운반할 수 있는 동력 모델인 엑소아틀러-A(ExoAtler-A)와 장애인 재활을 위한 의료용 외골격을 개발할 계획이다.

이들 의상의 공통점은 대부분 프로토타입으로 제작된다는 점이다. 이는 그들이 개선될 것임을 의미합니다. 이는 현장 테스트가 그들을 기다리고 있음을 의미합니다. 이는 새로운 모델이 등장한다는 것을 의미합니다. 이것은 그들이 미래라는 것을 의미합니다. 작동하고 유용한 외골격을 암시장에서 구입할 수 있다고 말하기에는 너무 이릅니다. 그러나 시작이 이루어졌고 이러한 방향의 발전은 자신있게 광범위한 주류로 진입하고 있습니다. 아직 토니 스타크의 의상을 입기에는 갈 길이 멀지만, 우리가 화려한 영화를 즐기는 데 방해가 되는 것은 무엇입니까? 외골격과 관련된 화려한 대결의 팬이라면 항상 시청할 만한 콘텐츠가 있을 것입니다: "Aliens"(1986), "Iron Man"(2008), "Avatar"(2009), "District No. 9"(2009), "The Avengers"( 2012), '엘리시움'(2013), '엣지 오브 투모로우'(2014).

한 가지 확실한 점은 외골격이 미래에는 어디에나 있을 것이라는 점입니다. 그들은 우주비행사들이 화성을 탐험하고, 최초의 식민지를 건설하고, 우주를 편안하게 탐색하는 데 도움을 줄 것입니다. 기본적으로 군인들에게 초인적인 힘을 제공하기 때문에 군사 분야에서 사용될 것입니다. 그것을 잃어버린 사람들에게는 완전히 움직일 수 있는 기회를 줄 것입니다. 아이언맨 수트는 주변에서 볼 수 있는 모든 것과 마찬가지로 언젠가는 현실이 될 것입니다.

"엑소아틀렛"

개발 작성자는 TsNIITOCHMASH의 엔지니어입니다. 이는 이미 제작되어 서비스를 위해 채택된 전투 장비의 논리적 연속이 되었습니다. 많은 외국 및 러시아 전문가에 따르면, 신제품은 전설적인 스타워즈 시리즈의 캐릭터 장비를 다소 연상시킵니다.

이 장비는 보호 장비, 무기 및 티타늄 외골격이 결합된 독특한 복합체입니다. 이 모든 것은 지능형 컴퓨터 시스템에 의해 제어됩니다.

보편적인 러시아 군인의 머리는 방독면 역할과 동시에 야간 투시 장치가 장착된 장갑 유리가 달린 강철 헬멧으로 보호됩니다.

적에 대한 정보는 안경에 내장된 디스플레이에 표시됩니다. 군인의 건강에 관한 정보도 여기에 표시됩니다. 위급한 상황에서는 슈트가 응급처치를 제공할 것입니다.

현대 방탄복과 달리 미래의 장비에서 방탄복은 움직임을 제한하지 않는 비늘 모양의 구조를 갖게 될 것입니다. 또한 "스마트" 갑옷은 온도 변화에 적응하고 위장 자체를 수행할 수 있으며 물이나 불을 두려워하지 않으며 식별 시스템 덕분에 자신과 낯선 사람을 구별할 수 있습니다.

티타늄 외골격은 군인이 움직일 때 일종의 증폭기입니다. 그것의 도움으로 그는 상당한 거리에 걸쳐 무거운 무기를 운반할 때 추가적인 능력을 얻게 되며 그 자신도 훨씬 더 튼튼하고 빨라집니다.

미래 군인의 발은 지뢰 탐지기, 지뢰 무선 신호 억제 장비 및 외골격 전원 공급 장치가 장착된 특수 내화 부츠로 안전하게 보호됩니다.

본질적으로 보호 장치가 없는 인간은 이러한 진화적 격차를 메우기 위해 수세기 동안 노력해 왔습니다. 최초의 군사적 충돌 이후 그는 검게 그을린 피부, 청동 껍질, 그리고 그 다음에는 적의 무기로부터 자신을 보호했습니다.– 체인 메일과 갑옷. 그러나 현대 전쟁의 현실은 그 자체의 조건을 결정합니다. 가벼움과 강도 외에도 새로운 유형의 보호 장치는 이전에 공상 과학 작가의 상상의 산물로만 간주되었던 여러 속성을 가져야 합니다.

그리스어로 '외부 골격'을 뜻하는 외골격이라는 개념은 19세기 후반에 처음 등장했다. 에드워드 실베스터 엘리스(Edward Sylvester Ellis)는 1868년 소설 The Prairie Steam Man에서 증기로 구동되는 인체 모양의 발명품을 묘사했습니다. 이 기적의 기계를 만든 뛰어난 창조자 조니 브레이너드(Johnny Brainerd)는 이러한 슈트 내부에 위치하여 시속 100km의 속도까지 쉽게 가속할 수 있었습니다. 사실 그는 버팔로를 사냥하고 야만인을 겁주곤 했습니다.

1961년 아이언맨 만화책 덕분에 스탠 리의 캐릭터가 인기를 얻었을 때 미 국방부는 군사 작전을 성공적으로 수행하는 데 무엇이 부족했는지 깨달았습니다. 간단 해. 사람을 탱크로 바꾸는 슈트가 필요합니다. 기적의 옷을 입은 전투기는 빠르고, 기동성이 뛰어나고, 높은 수준의 방사선을 견뎌야 하며, 생화학 무기로부터 보호해야 합니다. 하지만 가장 중요한 것은 – 매우 무거운 짐을 운반할 수 있습니다.

"하디먼" – General Electric과 미군 엔지니어들의 공동 노력 덕분에 60년대에 만들어진 외골격입니다. 이러한 슈트를 착용한 사람은 4.5kg의 힘으로 110kg의 무게를 들어 올릴 수 있습니다. 그러나 "Hardiman" 자체의 무게는 680kg이었고 모든 부품이 완전한 외골격으로 결합되었을 때 슈트는 강렬하고 완전히 제어할 수 없는 움직임을 일으키기 시작했으며, 살아있는 사람에게 테스트하면 작업자가 산산조각이 날 수 있습니다. .

2000년대 초 미 국방부가 기적의 슈트 개발에 7,500만 달러를 할당한 이후 외골격은 더 이상 공상 과학 소설이 아니게 되었습니다. 미국 회사 Sarcos는 대부분의 국방부 요구 사항을 충족하는 XOS 슈트를 개발했습니다. 이는 작업자의 근육 수축을 감지하고 이를 전기 신호로 변환하여 장치를 움직입니다. 대략적인 추정에 따르면 엑소슈트는 사람의 힘을 20배 증가시킨다. 하지만 배터리가 없기 때문에 네트워크에서만 작동합니다. XOS의 추가 개발(이미 두 가지 유형이 있음)은 Sarcos를 흡수한 Raytheon에 의해 수행됩니다.

온갖 종류의 기기와 로봇공학이 대중문화에 스며든 일본인들은 지난 10년 말부터 적극적으로 외골격 개발을 시작했습니다. 그리고 그들이 선보인 첫 슈트는 'HAL'이었다. Cyberdyne에 의해 개발되었으며 미국 "XOS"와 달리 센서를 사용하여 인간 피부의 신호를 읽고 컴퓨터로 전송합니다. 컴퓨터는 이미 활성화할 서보를 결정합니다. "HAL"은 미국 제품보다 가볍고 벨트에 매달린 100볼트 배터리로 구동되지만 체력은 5배만 증가합니다.

물론 적의 사격을 제외하고 군인의 주요 문제는 등에 가해지는 하중이 증가한다는 것입니다. 이를 우려해 록히드 마틴(미 국방부의 주계약자)은 파커 하니핀(Parker Hannifin)과 함께 전장에서 군인의 이동성을 높이기 위해 설계된 HULC(Human Universal Load Carrier) 외골격을 개발하고 있습니다. 이 개발의 특징은 옷 안에 입을 수 있다는 것입니다. HULC를 착용한 군인은 최대 20km의 거리에서 큰 어려움 없이 100kg의 하중을 운반할 수 있습니다. 현재 Human Universal Load Carrier 개발은 두 번째 개발 단계에 있습니다.

록히드는 맨티스(Mantis) 외골격을 생산할 계획이다. 작업자가 장시간 동안 무거운 장비를 들고 있어야 하는 산업 분야에서 사용하도록 설계되었습니다. 도구의 전체 무게를 흡수하는 특수 기계 팔이 있습니다. 테스트 결과 이미 생산성이 30% 증가한 것으로 나타났습니다. 미국 군수업계에서는 이미 이 제품에 관심을 갖고 있습니다.

2014년 2월, 버락 오바마 미국 대통령은 연설에서 실제 아이언맨 슈트를 만드는 것이 가능하다고 암시했습니다. 이 말은 농담으로 판명되었지만 절반에 불과했습니다. 지난해 5월 초경량 전술공격용 엑소슈트 TALOS(Tactical Assault Light Operator Suit) 개발이 시작됐다고 발표됐다. 특수 작전에 참여하는 군인의 효율성과 보호를 향상시키기 위해 설계되었습니다. 그것을 입는 군인은 밤에도 볼 수 있고 체력도 좋아질 것이다. 또한 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 과학자들 덕분에 새로운 엑소슈트에는 "액체 갑옷"이 장착될 예정입니다. 이러한 갑옷은 주위에 생성된 역장으로 인해 순식간에 단단해집니다. 이론적으로 이는 TALOS에서 적의 총알이 쏟아지는 상황에서 직접 이동할 수 있음을 의미합니다.

미래 엑소슈트의 온보드 컴퓨터는 전장에서 결정을 내리는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 운용자의 신체 상태도 모니터링합니다. 내장된 생명 유지 센서 덕분에 사령부는 어느 병사에게 긴급한 도움이 필요한지 항상 알 수 있습니다.

또한 걷는 외골격 외에도 비행 버전도 개발되고 있습니다. Trek Aerospace는 Springtail 장치를 개발했습니다. 이 장치의 도움으로 군인은 공중으로 솟아올라 최대 시속 100km의 속도에 도달할 수 있을 뿐만 아니라 수천 미터의 고도에서 공중에 떠 있을 수 있습니다.

그러한 발전이 해외에서만 이루어지고 있다고 생각한다면 큰 착각입니다. 2013년 8월 20일, 러시아 연방 국방부 혁신의 날에 돌격 부대를 위한 최초의 외골격 작업 모델이 발표되었습니다. 이 수정은 ExoAtlet P-1이라고 불리며 돌격 방패를 운반할 때 부하를 완화하도록 설계되었습니다. 엑소애슬론 선수는 35kg의 보호막을 고정하고 신속하게 제거할 수 있는 장치를 갖추고 있습니다. 이 엑소슈트를 사용하면 전투기의 손이 자유롭게 되어 전투를 할 수 있습니다.

현재 러시아는 의료용 외골격을 개발 중이다. ExoAtlet Med는 현재 프로그램 구현 속도를 높이기 위해 조종사를 모집하고 있습니다. 근골격계 및 운동 기능에 장애가 있는 사람이라면 누구나 하나가 될 수 있습니다. 공식 웹사이트에서 적절한 양식을 작성하기만 하면 됩니다.

진정한 전투용 외골격은 아직 만들어지지 않았지만 과학자들은 이미 이를 보완하는 방법을 알아냈습니다. 게크스킨(Geckskin)은 도마뱀붙이 발의 원리를 기반으로 디자인된 특수 직물로 어떤 표면에서도 매우 강한 그립감을 제공합니다. 노트북 시트 크기의 천 조각은 300kg 이상을 담을 수 있습니다. 따라서 엑소슈트를 입은 군인은 강하고, 높이 뛰고, 빠르게 달릴 수 있을 뿐만 아니라, 가파른 벽을 오를 수도 있다.

지금까지 읽은 후 "모든 요구 사항을 충족하는 완전히 작동하는 외골격이 아직 하나도 없는 이유는 무엇입니까?"라는 질문을 했다면? – 그런 다음 그러한 프로토타입을 하나 이상 조립하는 데 비용이 얼마나 드는지 생각해 보십시오. 스마트폰보다 20년 전에 진화한 휴대폰과 같은 방식은 여기서는 작동하지 않습니다. 수십 년 안에 단순화할 수 없는 기술, 메커니즘, 특수한 물리적 물질이 너무 많습니다.

모든 외골격의 가장 큰 문제는 배터리입니다. 현재 리튬 이온 배터리보다 더 안정적이고 경제적인 에너지 저장 방법은 없습니다. 그러나 그들은 또한 자체 최대 용량 제한을 갖고 있으며, 그 이후에는 폭탄으로 변합니다. 따라서 대량의 에너지를 저장할 수 있는 대안적이고 안전한 소스가 발견될 때까지 엑소슈트의 성능은 심각하게 제한될 것입니다.

발전 과정에서 인류는 특히 전쟁 수단과 관련하여 이전에는 환상의 산물로만 간주되었던 것을 항상 현실로 가져 왔습니다. 따라서 가까운 미래에 전투 작전은 엑소슈트를 입은 소규모 슈퍼 솔저 그룹에 의해 수행될 것이라는 점에는 의심의 여지가 없습니다. 더욱이 많은 SF 작가들의 관점에서 볼 때 이는 궁극적으로 지구상의 모든 생명체를 파괴할 수 있는 초지능 로봇을 만드는 것보다 더 안전합니다.

소리의 속도로 공기를 가르고 철제 슈트의 솔기 부분에 팔을 뻗은 채 수평선을 향해 돌진합니다. 눈 깜짝할 사이에 교통 체증에 갇힐 필요 없이 세계 어느 곳에서나 자신을 발견할 수 있습니다. 비행기나 더 강한 장치에 탑승하지 않고 날개 없이 비행합니다. 토니 스타크의 최고의 순간(물론 아이언맨 슈트를 입고)에 있고 싶지 않은 사람들은 나에게 돌을 던지도록 해주세요. 부분적으로 이러한 꿈은 외부 프레임으로 인해 사람의 능력(주로 육체적, 근력)을 증가시킬 수 있는 장치인 외골격을 통해 실현될 수 있습니다. 이 자료에서는 이 장치가 무엇인지, 이미 어떤 개발이 이루어졌는지, 그리고 앞으로 기술이 어떻게 발전할 것인지 알려드리겠습니다.

엘라스티프에서 '아이언맨'으로

과학과 기술은 과장하지 않고 인간과 자연 사이의 가장 치열한 창의력의 경주입니다. 전체 역사를 통틀어 인간은 자신의 필요에 맞게 주변 세계를 다시 만들려고 노력해 왔습니다. 그는 어딘가에서 성공하지만 종종 자연에 해를 끼치 지 않습니다. 그녀를 어딘가에서 봐야합니다. 그리고 대부분의 무척추동물은 어떤 형태로든 외부 골격을 갖고 있지만 인간은 그렇지 않습니다. 그런데 날개가 없었나요? 요즘 외골격은 높이가 2~2.5m에 달하는 기계 슈트 또는 그 일부를 의미합니다. 다음은 "모빌 슈트", 기계 및 기타 거대한 인간형 로봇입니다. 우리 삶의 다른 많은 것들과 마찬가지로 외골격도 점차 꿈과 일상을 가르는 경계를 넘나들고 있습니다. 원래 공상 과학 소설의 아이디어, 개념, 신화 및 전설에 불과했지만 오늘날에는 새로운 버전의 외골격이 거의 매주 등장합니다. 외골격의 첫 번째 발명가는 러시아의 "기계 엔지니어"인 Nikolai Ferdinandovich Yagn으로 간주됩니다. 그는 1890년대에 이 주제에 대해 많은 특허를 등록했습니다. 그는 미국에 살았으며 실제로 그곳에서 자신의 기적에 대한 특허를 취득하고 전시회에서 전시했으며 고국으로 돌아와서 기적을 재발명했습니다. 그의 외골격은 애초에 군인의 걷기, 달리기, 점프를 더 쉽게 만들어 주기로 되어 있었습니다. 그럼에도 불구하고 러시아의 천재는 그러한 장치의 잠재적인 군사력을 예견했습니다.

NIKOLAI Ferdinandovich YAGN 외골격 외에도 Yagn은 냉각 커튼, 유압 모터, 진동 프로펠러, 사모바르 살균기 및 기타 장치를 개발했습니다.

하디만

SF 작가들이 외골격 개발에 거대하고 막대한 공헌을 했다는 사실을 부정하지 맙시다. 1959년, 로버트 하인라인(Robert Heinlein)의 호평을 받은 소설 "스타쉽 트루퍼스(Starship Troopers)" 이후 외부 프레임 슈트가 군사 작전 등의 미래라는 것이 모든 사람에게 분명해졌습니다. 그리고 우리는 간다. 최초의 외골격은 1960년대 미국 국방부의 지원을 받아 General Electric이 제작했습니다. Hardiman의 무게는 680kg이며 최대 110kg의 하중을 들어 올릴 수 있습니다. 그 모든 거대한 야망에도 불구하고 그들은 그것을 물속에서, 우주에서 사용하고 탄두와 핵막을 운반하기를 원했지만 최선의 방법으로 그 자체를 보여주지 못했습니다. 그들은 편리하게도 그에 대해 잊어버렸습니다.

모호하게 외골격을 연상시키는 "보도 모터" 장치는 발명가 Leslie S. Kelly가 1917년에 개발한 것입니다.

9년 후, 유고슬라비아 베오그라드의 미오미르 부코브라토비치(Miomir Vukobratovic)는 하반신 마비가 있는 사람들에게 걸을 수 있는 능력을 제공하는 것이 목적인 최초의 전동 보행 외골격을 선보였습니다. 이 장치는 공압 드라이브를 기반으로 했습니다. N. N. Priorov의 이름을 딴 중앙 외상학 및 정형외과 연구소의 소련 과학자들은 Vukobratovich의 작업을 기반으로 유고슬라비아 동료들과 함께 외골격을 개발하기 위한 첫 번째 이니셔티브를 취했습니다. 그러나 페레스트로이카가 시작되면서 프로젝트가 종료되었으며 외골격의 비밀 지하 개발에 대한 정보가 없습니다. 하지만 우주 탐사에는 모든 것이 괜찮았습니다. 여러 나라의 각기 다른 시기에 장인들은 다양한 목적을 위해 외골격을 만들려고 노력했지만 다양한 장애물(나중에 설명할)로 인해 매우 저조한 성공을 거두었습니다. 에너지 자원 부족, 과학 및 기술 진보의 느린 성장, 재료 과학 및 기타 관련 과학의 발전, 컴퓨터 컴퓨팅 및 사이버네틱스의 발전은 약 30년 전만 해도 급증했지만 이 모든 것이 둔화되었습니다. 외골격의 발달. 의심의 여지 없이 이는 사람들이 아직 마스터하지 못한 가장 복잡한 기술입니다.

외골격 문제

이 행성에는 견고한 프레임을 만들 수 있고 무게로 인해 문제가 악화되지 않는 재료가 많지 않습니다. 어쨌든 그 수가 많지는 않았지만 우주 비행, 군사 발전, 재료 과학의 발전, 나노 기술 및 기타 수십 가지 흥미로운 분야를 고려하면 인류는 점차 장벽을 하나씩 넘어 가고 있습니다. 21세기 초, 외골격에 대한 관심은 놀라운 힘으로 불타올랐고 오늘날까지도 계속 불타오르고 있습니다. 하지만 먼저 외골격 제작자가 직면한 주요 문제에 대해 이야기해 보겠습니다. 가상의 외골격을 구성 요소로 분해하면 전원, 기계 골격 및 소프트웨어가 있습니다. 그리고 마지막 두 점으로 모든 것이 명확해 보이고 문제가 거의 남아 있지 않다면 전원 공급 장치에 심각한 문제가 있는 것입니다. 정상적인 전원을 사용하면 엔지니어는 외골격을 만들 수 있을 뿐만 아니라 이를 우주복 및 제트팩과 결합할 수도 있습니다. 그 결과는 아마도 '아이언맨' 슈트가 될 것이지만, 새로운 토니 스타크는 아직 등장하지 않았다.

전력 오늘날의 모든 소형 전원은 외골격에 단 몇 시간의 배터리 수명만 제공할 수 있습니다. 다음은 전선에 대한 의존성입니다. 비충전식 배터리와 충전용 배터리는 각각 교체가 필요하거나 충전이 느린 등의 한계가 있습니다. 내연기관은 신뢰성이 매우 높아야 하지만 특별히 컴팩트할 필요는 없습니다. 또한, 후자의 경우 추가적인 냉각 시스템이 필요하게 되며, 내연기관 자체가 많은 양의 에너지를 순간적으로 방출하도록 구성하기가 어렵다. 전기화학적 연료전지는 액체 연료(예: 메탄올)로 빠르게 채워질 수 있으며 원하는 즉각적인 에너지 출력을 제공하지만 매우 높은 온도에서 작동합니다. 섭씨 600도는 이러한 전원의 경우 상대적으로 낮은 온도입니다. 그것으로 "아이언맨"은 핫도그로 변할 것입니다. 이상하게도 미래의 외골격 연료 문제에 대한 가장 가능한 해결책은 가장 불가능할 수도 있습니다. 바로 무선 에너지 전송입니다. 임의의 대형 원자로(핵 원자로 포함)에서 전송될 수 있기 때문에 많은 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 어떻게? 질문은 열려 있습니다.

액자. 최초의 외골격은 저렴하고 사용하기 쉬운 알루미늄과 강철로 만들어졌습니다. 하지만 강철은 너무 무거워서 외골격도 자체 무게를 들어 올리려면 작동해야 합니다. 따라서 슈트가 무거우면 효과가 떨어집니다. 알루미늄 합금은 매우 가볍지만 피로가 누적되므로 특히 고하중에는 적합하지 않습니다. 엔지니어들은 티타늄이나 탄소 섬유와 같은 가볍고 강한 소재를 찾고 있습니다. 필연적으로 비용이 많이 들지만 외골격의 효율성을 제공할 것입니다. 드라이브는 특별한 문제를 야기합니다. 표준 유압 실린더는 강력하고 정밀하게 작동할 수 있지만 무겁고 엄청난 양의 호스와 튜브가 필요합니다. 반면에 공압 장치는 압축된 가스 스프링과 반력이 액추에이터를 밀어내기 때문에 핸들링 동작 측면에서 예측하기가 너무 어렵습니다. 그러나 자석을 사용하고 최소한의 전력을 소비하고 작으면서도 반응성이 뛰어난 움직임을 제공하는 새로운 전자 기반 서보가 개발되고 있습니다. 이것을 증기기관차에서 기차로의 전환과 비교할 수 있습니다. 또한 관절이 가져야 하는 유연성에 주목해 보겠습니다. 그러나 여기서 외골격 문제는 우주복 개발자가 해결할 수 있습니다. 또한 착용자의 사이즈에 맞게 슈트를 조정하는 방법을 알아내는 데 도움이 될 것입니다.

제어 외골격을 만들 때 특히 어려운 점은 과도하고 원치 않는 움직임을 제어하고 조절하는 것입니다. 멤버별로 반응속도가 똑같은 외골격을 그냥 만들 수는 없습니다. 이러한 메커니즘은 사용자에게 너무 빠를 수 있지만 너무 느리게 만드는 것은 효과적이지 않습니다. 반면에 사용자에게 의존할 수 없으며 센서가 신체 움직임의 의도를 읽는다고 믿을 수 없습니다. 사용자와 슈트의 움직임이 동기화되지 않으면 부상을 입을 수 있습니다. 두 행위자 모두를 제한해야 합니다. 엔지니어들은 이 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 고심하고 있습니다. 또한, 우발적인 재채기나 기침으로 인해 구급차가 호출되는 일이 없도록 의도하지 않거나 원치 않는 움직임을 사전에 감지해야 합니다.

외골격과 미래

오늘 우리는 무엇을 가지고 있습니까?

ReWalk 이 외골격은 2011년에 출시되었으며 장애인을 위해 설계되었습니다. 2013년 1월에는 업데이트 버전인 ReWalk Rehabilitation이 출시되었고, 2014년 6월에는 FDA로부터 외골격의 공공 및 가정에서의 사용이 승인되면서 상용화의 길이 열렸습니다. 시스템 무게는 약 23.3kg이고 Windows 기반이며 걷기, 앉기, 서기의 세 가지 모드가 있습니다. 비용 : 70 ~ 85,000 달러.

XOS 이러한 군용 외골격 시리즈가 활발히 개발되고 있습니다(XOS 3가 다음 단계입니다). 무게는 약 80kg이며 소유자가 추가로 90kg을 쉽게 들어 올릴 수 있습니다. 최신 모델의 슈트는 매우 유연하여 공을 가지고 놀 수 있습니다. 제조업체에 따르면 하나의 XOS가 군인 3명을 대체할 수 있습니다. 아마도 3세대 외골격은 우리가 최근 몇 년간 공상 과학 영화에서 보는 것과 더 가까워질 것입니다. 아아, 지금은 외부 전원에 연결되어 있습니다.

HULC. Human Universal Load Carrier는 유명한 회사인 Lockheed Martin이 Berkeley Bionics와 함께 만든 제품입니다. 이 외골격은 군용으로도 제작되었습니다. 기본은 유압 장치 및 리튬 폴리머 배터리입니다. 외부 프레임을 올바르게 적재하면 최대 140kg의 초과 화물을 운반하는 데 사용할 수 있습니다. 군인들은 '나와 내 친구 트럭'으로 HULC를 72시간 동안 이용할 수 있을 것으로 예상된다. 개발이 본격화되고 있으므로 HULC가 미국에서 처음으로 서비스를 시작하는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

ExoHiker, ExoClimber 및 eLEGS(Ekso). 프로토타입은 다양한 작업을 수행하도록 설계된 Berkeley Bionics입니다. 첫 번째는 여행자가 최대 50kg의 짐을 운반하는 데 도움이 되는 것으로 2005년 2월에 도입되었으며 무게는 약 10kg입니다. 작은 태양전지판을 고려하면 매우 오랫동안 작동할 수 있습니다. ExoClimber는 착용자가 점프하고 계단을 오를 수 있도록 ExoHiker에 추가된 10kg의 제품입니다. 2010년 Berkeley Bionics의 개발로 eLEGS가 탄생했습니다. 이 시스템은 마비된 사람들이 걷고 서도록 하는 본격적인 유압 외골격이다. 2011년에 eLEGS는 Ekso로 이름이 변경되었습니다. 무게는 20kg이며 최고 속도는 3.2km/h로 이동하며 6시간 동안 작동한다.

할. 일본 로봇 제조업체 Cyberdyne의 또 다른 놀라운 외골격입니다. 그 목적은 장애인에게 걸을 수 있는 능력을 제공하는 것입니다. HAL-3과 HAL-5의 두 가지 주요 변형이 있습니다. 2011년 발표 이후 1년도 채 되지 않아 HAL은 전국 130개 이상의 의료기관에 채택되었습니다. 그러나 테스트는 2014년과 2015년에도 계속될 예정입니다. 2013년 8월, HAL은 유럽에서 의료 로봇으로 사용할 수 있는 백지 위임장을 받았습니다. 최신 모델의 슈트 무게는 약 10kg입니다.

의료용 외골격의 평균 비용은 9만 달러입니다.

심각한 전신 외골격 외에도 특정 작업을 수행하도록 설계된 제한된 외골격이 점점 인기를 얻고 있습니다. 일례로 올해 8월에는 선 채로 앉을 수 있는 의자 없는 의자(Chairless Chair)가 출시됐다. 대우와 록히드 마틴은 조선소 근로자를 위한 외골격을 독립적으로 시연했습니다. 이 장치를 사용하면 작업자는 너무 무리하지 않고 최대 30kg의 하중이나 도구를 잡을 수 있습니다. 러시아에서는 모스크바 주립대학교 기계연구소에 모인 과학자 팀이 "ExoAtlet"이라는 외골격을 개발하고 있습니다. 그들은 위에서 언급한 소련에서 시작된 Vukobratovich의 개발을 계속합니다. 이 팀이 최초로 작동하는 수동 외골격은 응급 구조대원, 소방관, 구조대원을 위해 개발되었습니다.

무게는 12kg으로 최대 100kg의 화물을 쉽게 운반할 수 있는 디자인입니다. 회사는 최대 200kg까지 운반할 수 있는 동력 모델인 ExoAtler-A와 장애인 재활을 위한 의료용 외골격을 개발할 계획입니다. 이들 의상의 공통점은 대부분 프로토타입으로 제작된다는 점이다. 이는 그들이 개선될 것임을 의미합니다. 이는 현장 테스트가 그들을 기다리고 있음을 의미합니다. 이는 새로운 모델이 등장한다는 것을 의미합니다. 이것은 그들이 미래라는 것을 의미합니다. 작동하고 유용한 외골격을 암시장에서 구입할 수 있다고 말하기에는 너무 이릅니다. 그러나 시작이 이루어졌고 이러한 방향의 발전은 자신있게 광범위한 주류로 진입하고 있습니다. 아직 토니 스타크의 의상을 입기에는 갈 길이 멀지만, 우리가 화려한 영화를 즐기는 데 방해가 되는 것은 무엇입니까?

외골격과 관련된 화려한 대결의 팬이라면 항상 시청할 만한 콘텐츠가 있을 것입니다: "Aliens"(1986), "Iron Man"(2008), "Avatar"(2009), "District No. 9"(2009), "The Avengers"( 2012), '엘리시움'(2013), '엣지 오브 투모로우'(2014). 한 가지 확실한 점은 외골격이 미래에는 어디에나 있을 것이라는 점입니다. 그들은 우주비행사들이 화성을 탐험하고, 최초의 식민지를 건설하고, 우주를 편안하게 탐색하는 데 도움을 줄 것입니다. 기본적으로 군인들에게 초인적인 힘을 제공하기 때문에 군사 분야에서 사용될 것입니다. 그것을 잃은 사람들에게 완전히 이동할 수 있는 기회를 제공할 것입니다. 아이언맨 수트는 주변에서 볼 수 있는 모든 것과 마찬가지로 언젠가는 현실이 될 것입니다.

"엑소아틀렛"

PISCES(수영용 성능 향상 자가 외골격) 프로젝트는 사람이 펭귄, 바다거북, 돌고래 및 이 요소에서 자유로움을 느끼는 다른 동물처럼 쉽고 자연스럽게 수영할 수 있도록 돕는 슈트를 만드는 데 전념하고 있습니다.
군사 연구자들은 오랫동안 초강력과 초인적 지구력을 제공하는 기계 슈트(외골격)를 설계해 왔습니다.

Sarcos(Raytheon)의 XOS

록히드 마틴 HULC

다음 단계: 착용자를 거대한 물고기나 사이보그 펭귄으로 변신시키는 수중 외골격.
더욱이 수중 옵션은 단기적으로 더 많은 이점을 제공할 수 있습니다.

군사 기술자를 믿는다면 이 외골격은 정말 평범하지 않은 것으로 판명될 것입니다. 현재 이 장치에는 신체의 "하부" 부분용과 "상부" 부분용의 두 가지 버전이 있습니다. 첫 번째 버전은 무게 2.4kg의 은-아연 배터리로 구동되며 1m/s의 속도에 도달할 수 있으며 "상부" 외골격의 에너지원은 실제 인간 근력입니다.

수생 환경에서 생물학적 추진 원리(펭귄, 물고기, 거북이)의 잠재적 이점은 명백합니다.

스텔스 기능이 크게 향상되었습니다(나사 장치와 달리 마스크 해제 파코트라는 배경 소음과 다르지 않습니다).
이 프로젝트는 물체 감시나 직접적인 방해 행위 등 수중 군사 작전 수행 방식을 근본적으로 변화시킬 것입니다. 현재 프로젝트는 개발 단계에 있으므로 해당 소송의 비용과 서비스 개시 시기를 논의하기에는 너무 이릅니다.

Peter Neuhaus는 수중 외골격이 아직 개발 중이며 가장 최근에는 절단 환자가 걸을 수 있는 하체 외골격에 중점을 두고 있다고 말했습니다.

사이버다인 주식회사 이것은 Sankai 교수와 그의 쓰쿠바 대학 연구실의 업적을 활용하려는 일본 회사입니다. "HAL": 하이브리드 제어 시스템. HAL에는 서로 밀접하게 작동하는 두 가지 제어 시스템이 있습니다.

사람이 걸으려고 하면 뇌는 근육에 전기 자극을 보냅니다. 근육에 도달하면 약한 생체 전기 신호가 피부 표면에 나타납니다.

피부 표면에서 관찰되는 약한 생체 전기 신호를 제어 시스템에서 읽어 분석기로 전송하고, 이 신호를 바탕으로 동력 장치(구동)가 토크를 발생시켜 팔다리를 구동합니다.

인간의 움직임은 문장과 같은 여러 기본 움직임의 조합으로 간주될 수 있습니다.
여러 단어로 구성되어 있습니다. 특정 동작(예: 의자에서 일어나기)에 대해.

"HAL"은 데이터베이스에서 작은 움직임을 수집한 다음 이를 결합하여 움직임을 형성합니다.
센서가 신체에서 수집한 정보로 자동으로 보완되는 데이터베이스를 사용하여 "HAL"은 부드러운 에너지 구동을 통해 모든 움직임을 자율적으로 조정합니다.

HAL-5 B형
사양 유형: 웨어러블 로봇
높이 1600mm 무게 총 약 23kg(하부 약 15kg)
배터리(AC100V) 연속사용시간 약 2시간 40분
적용분야 : 일상활동(의자에서 일어서기, 걷기, 계단오르기),
무거운 물건을 들고 들어올리는 등의 다양한 활동을 할 수 있습니다. 평소보다 힘을 최대 10배까지 늘릴 수 있습니다.
하이브리드 제어 시스템 실내외 환경

외골격은 이미 준비되었습니다:

회사는 의료 목적, 장애인 지원, 공장에서의 노동 경감, 재난 지역 구조 작업 수행 및 엔터테인먼트 목적을 위한 재활 및 신체 훈련용 장치를 의도하고 있습니다(임대료 $2,200/일 + 보증금).
2012년에는 노인 농부를 돕기 위한 로봇 슈트가 일본 시장에 출시될 예정입니다(과일 및 채소 수확, 허리 통증 및 경련 완화).

PAS는 거의 15년 동안 개발되어 올해 생산에 들어간 후 2012년에 마침내 현실 세계를 보게 될 것입니다. 가격은 11,000달러이며, 도쿄 농과대학 토야마 시게키 교수와 그의 팀이 개발했습니다.

David Brin의 소설 Sundiver(1979)에서 수중 외골격에 대한 언급, 캐릭터 고래 Waldoes
외골격 갑옷의 개념은 1954년 출판된 소설 톰 스위프트와 그의 제트마린(Tom Swift and His Jetmarine)에서 처음 소개되었습니다.
외골격의 군사적 활용을 묘사한 가장 유명한 작품은 로버트 하인라인(Robert Heinlein)의 소설 Starship Troopers(1959)입니다.
외골격은 StarCraft, Fallout, STALKER, Crysis와 같은 컴퓨터 게임에서 볼 수 있습니다. 영화 Starship Troopers, Rise of Cobra, Iron Man, District No. 9에서