Экзоскелет (с греческого «внешний скелет») — устройство для увеличения силы человека за счёт внешнего каркаса. Экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях.

Первые прототипы экзоскелетов, имеющих прикладное военное значение появились в начале 2000-х годов в США при финансовой поддержки DARPA (агентство передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США). Многие иностранные военные специалисты не без влияния всесильного Голливуда считают, что в ближайшем будущем экзоскелеты станут основным элементом экипировки военнослужащих, при этом в них будет встроено оружие и амуниция.

Главное направление развития экзоскелетов – увеличение полезной нагрузки и скорости передвижения военнослужащих.

На фоне брутальных американских военных в экзоскелетах образца 2-го десятилетия XXI века хочется задать вопрос, а как же обстоят дела у нас в России? Любой желающий в Интернете сможет найти информацию о перспективных отечественных разработках. Здесь же речь пойдёт о тех далёких временах, когда на западе об устройствах, умножающих усилия человека, могли прочитать только в научно-фантастических рассказах.

Содержание

Ускоритель бега, 1986 год
«Экзоскелетон», начало 1990-х годов
Устройство механизации бега «Персей» (сапоги-скороходы), 1976-1982 года
Литература:

Ускоритель бега, 1986 год

Выпускник МВТУ им. Баумана Валентин Сидоренко, сдавая нормы ГТО, отметил для себя странное несоответствие: пробежав положенные километры, он уставал сильнее, чем проезжая на велосипеде в 10 раз большую дистанцию.

Сравнив режимы двух способов передвижения, он понял, что при беге КПД движителя, то есть ног, значительно снижается. В самом деле: бежать быстрее – значит, в конечном счете чаще переставлять нижние конечности. Но каждая из них в первом приближении есть физический маятник, имеющий вполне определённую частоту собственных («естественных») колебаний. При нормальной ходьбе мы переставляем ноги именно с частотой, близкой к собственной. А в таком режиме, как известно, энергозатраты на поддержание колебаний – наименьшие, и, значит, КПД движителя максимален. При беге же частота возрастает в 1.5 – 2 раза, то есть становится уже не собственной, а принудительной, отчего КПД резко снижается, так как мышцы, помимо полезной работы, преодолевают дополнительные силы инерции.

Итак, необходимо было увеличить не просто фактическую, а собственную частоту «ножных колебаний». Правда, согласно неумолимым законам физики, последняя зависит только от длины ноги и распределения масс вдоль неё. Ни то, ни другое, увы не изменить без хирургического вмешательства… Выход, однако есть: ввести в колебательную систему упругий элемент. В простейшем случае достаточно, например, связать ноги резинкой – и собственная частота повысится. Конечно, в таком варианте её трудно регулировать, но был бы найден принцип, а уж конструкция будет придумана…

И в 1986 году было создано оригинальное устройство, получившее название «ускоритель бега». Оно включает жесткий П-образный корпус 1 (см.схему), крепящийся к талии эластичным ремнём. На корпусе справа и слева шарнирно установлены двухзвенные рычаги 2, нижние концы которых закрепляются на ногах выше колена, а верхние кинематически связаны с концами 3 упругого элемента – торсиона посредством параллелограмма 4. Изменяя длину звеньев последнего, можно оптимизировать частоту собственных колебаний ног и в результате – бегать со скоростью, сопоставимой с велосипедной. Вес устройства не превышает 3 килограмм и практически не обременяет бегущего.

Испытания «ускорителя бега» подтвердили его эффективность. Он просто не позволяет бежать медленно, заставляя ноги перемещаться с той частотой, на которую настроен. Создаётся ощущение, что тебя кто-то толкает сзади; бежать легко и устаешь гораздо меньше.

В последующем устройство было усовершенствовано и создана еще одна модификация – «ускоритель бега на лыжах». Его можно отрегулировать на скоростной бег по равнине или пересеченной местности, облегчить подъём в гору, а можно, наоборот, «заневолить» механизм, повышая нагрузку на ноги.

«Экзоскелетон», начало 1990-х годов

Назначение аппарата «Экзоскелетон» — восстановление функций и нормализация физических возможностей скелетно-мышечного аппарата, а также повышения сердечно-мышечной активности у ревматиков.

Разработанный в начале 90-х годов ХХ века лёгок и прост в сборке. Он просто подгоняется под индивидуальные параметры человека (форму туловища и конечностей), не создавая повышенного давления на отдельные участки тела. При обучении ходьбе на первых этапах реабилитации может применяться в сочетании с корсетами, протезами и костылями.

В базовый комплект «Экзоскелетона» входят опорные платформы, голеностопные шарниры и рычаги, коленные и тазобедренные шарнирные узлы со средствами крепления, седло и поясной ремень. Конструкция предусматривает дозированную нагрузку и принудительное блокирование любого шарнирного узла.

Если использовать модификацию данного устройства применительно к здоровому человеку, то он может существенно сократить нагрузку на суставы, что позволяет при тех же самых затратах энергии переносить существенно больший полезный вес.

Устройство механизации бега «Персей» (сапоги-скороходы), 1976-1982 года

В период военных сборов после очередного марш-броска два студента-дипломника Уфимского авиационного института Виктор Гордеев и Константин Чебыкин пожаловались своему преподавателю кандидату технических наук (в последующем доктору технических наук) Борису Петровичу Рудому что, мол, кирзовые сапоги настолько тяжелы, что впору к ним мотор приспосабливать. Это и стало их темой дипломного проекта.

Устройство: 2-х тактный двигатель внутреннего сгорания (2.4 кг), пристёгнутый к сапогу ремнями. Его цилиндры расположены по обеим сторонам голенища. Штоки поршней упираются в рессоры, которые закреплены на направляющих полках, а те, в свою очередь, привинчены к опорной платформе на которой находится подошва сапога (кроме носка). К пяте сапога, под которой находится силовая пластина, жестко прикручен компрессор.

Принцип работы: при наступании подошвой сапога на силовую пластину она с помощью тросиков тянет вниз цилиндры и «надевает» их на поршни. Происходит сжатие и самовоспламенение горюче – воздушной смеси (как в дизельном двигателе). Она «приготавливается» в компрессоре, действующем по принципу насоса, и подаётся по трубкам через золотниковый клапан в цилиндры. Когда смесь вспыхивает, давление в камерах сгорания резко возрастает. Цилиндры устремляются вверх и тянут за собой тросиками силовую пластину. Она толкает сапог вверх и вперёд с силой 600 кг (спортсмен – легкоатлет по прыжкам в высоту в момент толчка развивает усилие порядка 1200 – 1300 кг). Совместная работа поршней и рессор обеспечивает плавность «толчка». Человек делает плавный прыжок высотой 12 – 25 см и длиной около 3 м. При этом происходит выхлоп продуктов сгорания из цилиндров и зарядка их новой порцией топливной смеси из компрессора.

В 1976 году макетный образец сапог-скороходов был представлен на Центральной выставке «Научно – техническое творчество молодёжи» (НТТМ-76). В последующем они были модернизированы и в 1982 году был завершен цикл натурных испытаний. Сапоги-скороходы получили и своё официальное название УМБ (устройство механизации бега) «Персей». В ходе испытаний скороход без особых усилий передвигался с грузом, свободно преодолевал небольшие препятствия. При этом шаг составлял 3 метра, а максимальная скорость достигала 30 км/ч. Запаса в 70 см³ топлива было достаточно для того, чтобы двигатели безостановочно работали в течении часа, что составляет примерно 15 – 20 км, при этом экономия усилий составляла 70%.

Подробнее о создании сапог-скороходов смотрите здесь и здесь.

Все эти отечественные инициативные разработки 70-90 годов ХХ века имеют и прикладное военное назначение – разработанное на их базе военное снаряжение сможет существенно сократить затраты энергии бойцов на выполнение поставленных задач. Еще одна важная деталь наших экзоскелетов- они в отличии от более поздних иностранных образцов или энергонезависимы, или (как сапоги-скороходы) используют повсеместно доступное дизельное топливо.