Pół wieku po rozpoczęciu prac w dziedzinie egzoszkieletów pierwsze egzemplarze tego sprzętu są gotowe do pełnoprawnej pracy. Lockheed Martin pochwalił się niedawno, że jego projekt HULC (Human Universal Load Carrier) został nie tylko przetestowany w warunkach polowych z Pentagonem, ale jest gotowy do produkcji seryjnej. Egzoszkielet HULC „oddycha teraz” przez kilka podobnych projektów innych firm. Ale taka obfitość projektów nie zawsze była.
Właściwie pomysł stworzenia dowolnego urządzenia, które mógłby nosić człowiek i znacznie poprawić jego cechy fizyczne, pojawił się w pierwszej połowie ubiegłego wieku. Jednak do pewnego czasu było to tylko kolejne pojęcie pisarzy science fiction. Dopiero pod koniec lat pięćdziesiątych rozpoczęto opracowywanie praktycznie stosowanego systemu. General Electric, pod auspicjami armii amerykańskiej, uruchomił projekt o nazwie Hardiman. Zadanie techniczne było odważne: egzoszkielet od GE miał pozwolić osobie operować ładunkami o wadze do półtora tysiąca funtów (około 680 kilogramów). Gdyby projekt został pomyślnie zakończony, egzoszkielet Hardimana miałby wielkie perspektywy. Tak więc wojsko zamierzało wykorzystać nową technologię, aby ułatwić pracę rusznikarzem w lotnictwie. Ponadto „w kolejce” stali naukowcy nuklearni, budowniczowie i przedstawiciele wielu innych branż. Ale nawet dziesięć lat po rozpoczęciu programu inżynierowie General Electric nie byli w stanie przełożyć wszystkiego, co wymyślono, na metal. Zbudowano kilka prototypów, w tym działające ramię mechaniczne. Ogromny pazur Hardymena był napędzany hydraulicznie i mógł unieść 750 funtów ładunku (około 340 kg). Na podstawie jednej działającej „rękawicy” udało się stworzyć drugą. Ale projektanci stanęli przed innym problemem. Mechaniczne „nogi” egzoszkieletu nie chciały działać poprawnie. Prototyp Hardimana z jednym ramieniem i dwoma podporami ważył poniżej 750 kilogramów, podczas gdy maksymalna nośność konstrukcji była mniejsza niż jego własna waga. Ze względu na ten ciężar i specyfikę centrowania egzoszkieletu podczas podnoszenia ładunku cała konstrukcja często zaczynała wibrować, co prowadziło do kilkukrotnego przewrócenia. Z gorzką ironią autorzy projektu nazwali to zjawisko „mechanicznym tańcem św. Wita”. Bez względu na to, jak ciężko walczyli konstruktorzy General Electric, nie radzili sobie z osiowaniem i drganiami. Na samym początku lat 70. projekt Hardiman został zamknięty.
W kolejnych latach prace w kierunku egzoszkieletów przestały działać. Od czasu do czasu różne organizacje zaczęły się nimi zajmować, ale prawie zawsze nie następował pożądany rezultat. Jednocześnie celem stworzenia egzoszkieletu nie zawsze było jego militarne zastosowanie. W latach 70-tych pracownicy Massachusetts Institute of Technology bez większych sukcesów opracowali sprzęt tej klasy, przeznaczony do rehabilitacji osób niepełnosprawnych z urazami układu mięśniowo-szkieletowego. Niestety w tym czasie inżynierowie stanęli na przeszkodzie synchronizacji różnych części skafandra. Należy zauważyć, że egzoszkielety posiadają szereg charakterystycznych cech, które wcale nie ułatwiają ich tworzenia. Stąd znaczna poprawa możliwości fizycznych operatora wymaga odpowiedniego źródła energii. Ten ostatni z kolei zwiększa wymiary i ciężar własny całego aparatu. Drugi problem polega na interakcji osoby i egzoszkieletu. Zasada działania takiego sprzętu jest następująca: osoba wykonuje dowolny ruch ręką lub nogą. Specjalne czujniki związane z jego kończynami odbierają ten sygnał i przekazują odpowiednią komendę do elementów wykonawczych – mechanizmów hydraulicznych lub elektrycznych. Jednocześnie z wydawaniem poleceń te same czujniki zapewniają, że ruch manipulatorów odpowiada ruchom operatora. Oprócz synchronizacji amplitud ruchów inżynierowie borykają się z kwestią taktowania. Chodzi o to, że każdy mechanik ma określony czas reakcji. Dlatego należy go zminimalizować w celu zapewnienia wystarczającej wygody w korzystaniu z egzoszkieletu. W przypadku małych, zwartych egzoszkieletów, na które obecnie zwraca się uwagę, synchronizacja ruchów człowieka i maszyny ma szczególny priorytet. Ponieważ kompaktowy egzoszkielet nie pozwala na zwiększenie powierzchni podparcia itp., mechanicy, którzy nie mają czasu na poruszanie się z osobą, mogą negatywnie wpłynąć na użytkowanie. Na przykład przedwczesny ruch mechanicznej „nogi” może prowadzić do tego, że osoba po prostu traci równowagę i upada. I to jest dalekie od wszystkich problemów. Oczywiście noga ludzka ma mniej stopni swobody niż ręka, nie mówiąc już o dłoni i palcach.
Najnowsza historia wojskowych egzoszkieletów rozpoczęła się w 2000 roku. Następnie amerykańska agencja DARPA zainicjowała start programu EHPA (Exoskeletons for Human Performance Augmentation - Exoskeletons for growth human performance). Program EHPA był częścią większego projektu Land Warrior, którego celem było stworzenie wyglądu żołnierza przyszłości. Jednak w 2007 roku Land Warrior został odwołany, ale jego egzoszkieletowa część była kontynuowana. Celem projektu EHPA było stworzenie tzw. kompletny egzoszkielet, który zawierał wzmacniacze ludzkich rąk i nóg. Jednocześnie nie była wymagana żadna broń ani rezerwacje. Urzędnicy kierujący DARPA i Pentagonem doskonale zdawali sobie sprawę, że obecny stan rzeczy w dziedzinie egzoszkieletów po prostu nie pozwala na wyposażenie ich w dodatkowe funkcje. Dlatego zakres zadań programu EHPA zakłada jedynie możliwość długotrwałego przenoszenia przez żołnierza w egzoszkielecie ładunku o masie około 100 kilogramów i zwiększenie jego szybkości poruszania się.
Sacros i University of Berkeley (USA) oraz japońskie Cyberdyne Systems wyraziły chęć uczestniczenia w rozwoju nowej technologii. Od rozpoczęcia programu minęło dwanaście lat iw tym czasie skład uczestników uległ pewnym zmianom. Sacros stało się teraz częścią koncernu Raytheon, a wydział uniwersytetu Berkeley Bionics stał się oddziałem Lockheed Martin. Tak czy inaczej istnieją obecnie trzy prototypowe egzoszkielety stworzone w ramach programu EHPA: Lockheed Martin HULC, Cyberdyne HAL i Raytheon XOS.
Pierwszy z wymienionych egzoszkieletów – HULC – nie spełnia w pełni wymagań DARPA. Faktem jest, że 25-kilogramowa konstrukcja zawiera tylko system oparcia pleców i mechaniczne „nogi”. W HULC nie zaimplementowano podparcia dłoni. Jednocześnie możliwości fizyczne operatora HULC są zwiększone dzięki temu, że poprzez system podparcia pleców większość obciążenia ramion przenoszona jest na elementy siłowe egzoszkieletu i ostatecznie „schodzi” w ziemię. Dzięki zastosowanemu systemowi żołnierz może przewieźć do 90 kilogramów ładunku i jednocześnie doświadczyć ładunku spełniającego wszelkie standardy wojskowe. HULC jest zasilany baterią litowo-jonową, która wytrzymuje do ośmiu godzin. W trybie ekonomicznym osoba w egzoszkielecie może chodzić z prędkością 4-5 kilometrów na godzinę. Maksymalna możliwa prędkość HULC to 17-18 km/h, ale ten tryb pracy układu znacznie skraca czas pracy z jednego ładowania akumulatora. W przyszłości Lockheed Martin obiecuje wyposażyć HULC w ogniwa paliwowe, których pojemność wystarczy na jeden dzień pracy. Ponadto w kolejnych wersjach projektanci obiecują „zrobotyzowane” dłonie, co znacznie zwiększy możliwości użytkownika egzoszkieletu.
Raytheon do tej pory zaprezentował dwa nieco podobne egzoszkielety z indeksami XOS-1 i XOS-2. Różnią się parametrami wagowymi i rozmiarowymi, a co za tym idzie szeregiem praktycznych cech. W przeciwieństwie do HULC, rodzina XOS jest wyposażona w system odciążenia dłoni. Oba te egzoszkielety mogą unieść około 80-90 kilogramów własnej wagi. Na uwagę zasługuje fakt, że konstrukcja obu XOS pozwala na montaż różnych manipulatorów na ramionach mechanicznych. Należy zauważyć, że XOS-1 i XOS-2 mają do tej pory znaczny pobór mocy. Z tego powodu nie są jeszcze autonomiczne i wymagają zewnętrznego zasilania. W związku z tym maksymalna prędkość jazdy i żywotność baterii nie wchodzą w rachubę. Jednak zdaniem Raytheona potrzeba zasilania kablowego nie będzie przeszkodą w zastosowaniu XOS-a w magazynach czy bazach wojskowych, gdzie istnieje odpowiednie źródło prądu.
Trzecią próbką programu EHPA jest Cyberdyne HAL. Dziś wersja HAL-5 jest istotna. Ten egzoszkielet jest do pewnego stopnia mieszanką dwóch pierwszych. Podobnie jak HULC może być używany samodzielnie - baterie wystarczają na 2,5-3 godziny. W przypadku rodziny XOS rozwój Cyberdyne Systems łączy „kompletność” projektu: obejmuje on systemy wsparcia zarówno dla ramion, jak i nóg. Jednak nośność HAL-5 nie przekracza kilkudziesięciu kilogramów. Podobnie jest z cechami szybkości tego rozwoju. Faktem jest, że japońscy projektanci skupili się nie na zastosowaniach wojskowych, ale na rehabilitacji osób niepełnosprawnych. Oczywiście tacy użytkownicy po prostu nie potrzebują dużej prędkości ani ładowności. W związku z tym, jeśli wojsko będzie zainteresowane HAL-5 w obecnym stanie, możliwe będzie wykonanie na jego podstawie nowego egzoszkieletu, zaostrzonego do celów wojskowych.
Ze wszystkich opcji obiecujących egzoszkieletów zgłoszonych do konkursu EHPA tylko HULC przeszedł do tej pory testy we współpracy z wojskiem. Szereg cech innych projektów nadal nie pozwala na rozpoczęcie ich prób terenowych. We wrześniu kilka zestawów HULC zostanie wysłanych w częściach, aby zbadać cechy egzoszkieletu w rzeczywistych warunkach. Jeśli wszystko pójdzie gładko, produkcja na dużą skalę ruszy w latach 2014-15.
W międzyczasie naukowcy i projektanci będą mieli lepsze koncepcje i projekty. Najbardziej oczekiwaną innowacją w dziedzinie egzoszkieletów są rękawice robotyczne. Istniejące manipulatory nie są jeszcze zbyt wygodne do używania narzędzi i podobnych obiektów przeznaczonych do użytku ręcznego. Co więcej, stworzenie takich rękawic wiąże się z szeregiem trudności. Ogólnie rzecz biorąc, są one podobne do tych z innych zespołów egzoszkieletów, ale w tym przypadku problemy z synchronizacją potęguje duża liczba elementów mechanicznych, cechy ruchu ludzkiej ręki itp. Kolejnym krokiem w rozwoju egzoszkieletów będzie stworzenie interfejsu neuroelektronicznego. Teraz ruchem mechaniki sterują czujniki i serwonapędy. Dla inżynierów i naukowców wygodniejsze jest zastosowanie systemu sterowania z elektrodami, które usuwają ludzkie impulsy nerwowe. Taki system skróci między innymi czas reakcji mechanizmów, a w efekcie zwiększy wydajność całego egzoszkieletu.
Jeśli chodzi o praktyczne zastosowanie, w ciągu ostatniego półwiecza poglądy na ten temat prawie się nie zmieniły. Za głównych użytkowników obiecujących systemów nadal uważa się wojsko. Mogą wykorzystywać egzoszkielety do operacji załadunku i rozładunku, przygotowania amunicji, a dodatkowo w sytuacji bojowej do zwiększenia możliwości myśliwców. Należy zauważyć, że nośność egzoszkieletów przyda się nie tylko wojsku. Powszechne stosowanie technologii, która pozwala znacznie zwiększyć możliwości fizyczne człowieka, może zmienić oblicze całej logistyki i transportu ładunków. Na przykład czas załadunku naczepy towarowej w przypadku braku wózków widłowych skróci się o kilkadziesiąt procent, co zwiększy wydajność całego systemu transportowego. Wreszcie, egzoszkielety sterowane nerwami pomogą niepełnosprawnym wesprzeć ludzi w powrocie do pełni życia. Co więcej, z interfejsem neuroelektronicznym wiąże się wielkie nadzieje: w przypadku urazów kręgosłupa itp. W urazach sygnały z mózgu mogą nie docierać do określonego obszaru ciała. Jeśli „przechwycimy” je do uszkodzonego obszaru nerwu i wyślemy do systemu kontroli egzoszkieletu, to osoba nie będzie już przykuta do wózka inwalidzkiego lub łóżka. W ten sposób rozwój wojska może ponownie poprawić życie nie tylko wojska. Na razie, snując wielkie plany, warto pamiętać o próbnej eksploatacji egzoszkieletu Lockheed Martin HULC, która rozpocznie się dopiero jesienią. Na podstawie jego wyników będzie można ocenić zarówno perspektywy całej branży, jak i zainteresowanie nią ze strony potencjalnych użytkowników.
