Exoesqueletos mecánicos desde cómics hasta máquinas

Iron Man es más rápido que un avión, puede levantar 1.000 toneladas y entrar en ordenadores fuertemente custodiados. ¿Como una fábula? Por supuesto, dijo Brave, esa es la belleza de la fantasía. "Iron Man siempre debe estar por delante de la realidad, de lo contrario se convertirá en un fósil según los estándares del cómic."

En 1963, cuando apareció este personaje por primera vez, el ejército también estaba concibiendo su propio "Iron Man". Ese mismo año, Sergei ZaRudney, un investigador de armas del ejército de los EE. UU., publicó un informe que describe su diseño de una chaqueta robótica portátil que le daría al usuario una fuerza similar a la de Hulk, pero para lograr esto la tecnología para la idea no existía en el tiempo. Aparte de algunos diseños no militares, las perspectivas de una verdadera súper chaqueta eran escasas. Hasta el año 2000, Darpa inició un plan de investigación de exoesqueletos mecánicos con una inversión de siete años y 75 millones de dólares. En ese momento, un puñado de defensores de los exoesqueletos mecánicos, incluido el coronel del ejército estadounidense Jack Obsuk, pensaron que la tecnología finalmente se estaba poniendo al día con la idea. Obsuke ha ayudado a avanzar en la investigación de exoesqueletos desde 1995. Dijo que a medida que los sensores se vuelven más pequeños y más capaces y los procesadores se vuelven más rápidos, él y otros defensores tienen razones para creer que los exoesqueletos mecánicos pueden convertirse en una realidad.

Pero los ambiciosos objetivos de Darpa no son realistas para nadie. Quiere una máquina mágica que pueda permitir a los soldados arrastrar cientos de kilogramos de cosas durante varios días sin sentirse cansados; puede permitirles operar de manera flexible armas que generalmente requieren dos personas para controlarlas; puede llevar fácilmente a dos camaradas heridos en su espalda; Evacuar el campo de batalla. Solicitaron que el traje mecánico estuviera blindado para que la potencia de fuego enemiga fuera ineficaz. Incluso esperan que ayude a los soldados a saltar más alto. De todos modos, quieren al Iron Man de los cómics.

Antes de que comenzara la planificación, algunos de los asesores de Darpa inmediatamente señalaron que sus ideas no eran realistas. Eve Racine García, ingeniera de la Universidad de Cornwall que dirigió el proyecto Darpa Iron Man en los primeros días, dijo: "La mitad de las personas a las que pregunté creían en ello y la otra mitad pensó que era una pérdida de tiempo, dinero y recursos". "Quienes le echaron agua fría no se equivocaron", añadió. "Es un desafío realmente difícil". El exoesqueleto mecánico requerirá un sistema impulsado por luz que pueda proporcionar energía durante varios días; también requerirá músculos artificiales pequeños pero poderosos y sistemas complejos de control de movimiento; También debe ser ágil y receptivo.

El exoesqueleto debe convertirse en una sombra mecánica del soldado, capaz de leer cada uno de sus movimientos e imitar cada uno de sus movimientos en el tiempo. Incluso un milisegundo de vacilación puede causar una carga que hace que el soldado se sienta tan agotador como caminar sobre el agua. Los sensores de este traje mecánico deben poder leer cada ligero movimiento ejercido sobre su cuerpo miles de veces por segundo, y su microprocesador debe ser lo suficientemente potente como para convertir esos datos en instrucciones a tiempo y enviarlas a las extremidades mecánicas, de modo que. se coordina con los movimientos del usuario en el interior.

Se necesita un genio como Tony Stark para resolver estos problemas y descubrir cómo poner este sistema en una máquina con velocidad, agilidad, fuerza y ​​resistencia. Sin embargo, esta persona no es un diseñador de armas, sino una persona que fabrica dinosaurios mecánicos como profesión. Steve Jacobson tiene un currículum colorido. Durante los últimos 35 años, sus obras incluyen un dinosaurio robot de 80 toneladas y la fuente del Casino Bellagio. En persona, sin embargo, parecía más un profesor afable que un experto en ciencias. Era alto, de hombros anchos, espalda recta y cabello gris. Antes de presentar el XOS, me llevó a recorrer lo que llamó el "Túnel del Terror".

Desde el exterior, podría pasar fácilmente por el consultorio de un dentista, pero esta sala cavernosa es en realidad la sede de Sacos Corporation y la rama de investigación y desarrollo de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Utah. A menudo enseña aquí. Aunque ha construido robots para muchos clientes famosos y quisquillosos (Disney, sugiere, es tan exigente como el ejército estadounidense), Jacobson sigue siendo un académico de corazón. Él llama a su mente un amigo con quien jugar. Parecía más preocupado por la solución del problema que por la aplicación final de la solución. Después de pasar junto a un robot humanoide que jugaba al ping-pong, se detuvo frente a un par de cálaos mecánicos que cantaban. Fueron construidos para un hotel local. Lo difícil fue hacer que sus movimientos pareciera realistas, como pájaros reales. Dijo: "Solo aceptamos trabajos que queremos hacer porque nos interesan".

Mientras charlaba, el tema cambió de ingeniería a sistemas biológicos energéticamente eficientes (¡gente impulsada por zanahorias!). puede ser engañoso. De hecho, es una persona a la que le gusta guardar secretos. Rara vez acepta entrevistas con los medios e incluso se niega a revelar su edad. Durante la visita, señaló un pequeño vehículo terrestre no tripulado (un nuevo diseño de patas de exoesqueleto) y explicó emocionado. Finalmente me pidió que no lo mencionara en el artículo. Creo que su preocupación puede deberse a que muchos proyectos están financiados por los militares. Por otro lado, también es como un mago que no quiere revelar demasiados secretos.

Los proyectos de investigación del Instituto de Cooperación Sino-Estados Unidos, incluidos prótesis y nanomotores, parecen ser diversos e irregulares. Sin embargo, Yves Racine García dijo que fue la amplitud de intereses de Jacobson lo que lo convirtió en un candidato ideal para asumir el desafío del exoesqueleto. Ha demostrado su capacidad en software e ingeniería mecánica, y lo que es aún más raro es que pueda seguir inventando cosas nuevas según sea necesario. "Podía diseñar su propia transmisión; podía diseñar el sistema de control; podía diseñar una máquina y todos sus componentes", dijo García. Diseñar XOS requiere absolutamente un genio tan completo.

“Al diseñar algo como un exoesqueleto”, dice Jacobson, “hay 25 subsistemas que se pueden completar antes de pasar al siguiente paso. Si bien los dos objetivos principales del diseño son la fuerza y ​​la resistencia, también. Tenía que poder hacer 75 cosas diferentes”. De todos los robots que diseñó, XOS era claramente su favorito porque tenía la mayor cantidad de desafíos y problemas, y lo consideraba su “hijo”. "No hay objetivo más ambicioso que este. Otros no necesitan un sistema tan completo e independiente, y no necesitan alcanzar tanta fuerza, velocidad, resistencia y agilidad. En 2000, el Instituto de Cooperación China-Estados Unidos solicitó la inversión de Darpa. . Jacob Para demostrar su intuición, Jacobson pidió al fotógrafo de la compañía Jon Price y a su hija que lo ayudaran a realizar un experimento.

En este experimento, Price actuó como el exoesqueleto y su hija actuó como el operador interno. Ella se puso de pie, de espaldas a su padre y con los dedos de los pies presionados contra los de él. Se tomaron de las manos para ayudar a mantener el equilibrio. Ella comenzó a caminar hacia adelante, manteniendo los pies sobre sus pies mientras caminaba. de las decisiones (qué tan rápido ir, cuándo girar), mientras Price simplemente intentaba imitarla, paso a paso.

La demostración demostró a Jacobson que era una máquina inteligente con sólo unos pocos puntos de contacto, como los pies. y manos - puede entenderse y coordinarse con las intenciones del operador. Aunque en teoría es simple, es bastante difícil completar el XOS Jacobson y su equipo rediseñaron el microactuador, mejoraron los sensores de presión, inventaron válvulas hidráulicas más eficientes y. Incluso diseñó los pedales de aluminio del robot, lo que los diseñadores llaman "despejar el camino" para los controles. El sistema es la clave para integrar todos los componentes, y también es el núcleo para elevar otro robot que diseñó al "Superman Coat". , que lo ha probado personalmente en XOS, está totalmente de acuerdo: "Con una carga ligera, el cuerpo humano se cansa fácilmente. "Sin embargo, el sistema de control XOS reduce la carga sobre el cuerpo humano a casi cero.

Fue este sistema de control el que permitió al operador de demostración Jameson levantar una barra de 200 libras 50 veces seguidas, pero su frecuencia cardíaca no aumentó. Cuando sacó la barra del soporte, el sensor en su mano detectó inmediatamente el cambio en el torque. Sin la ayuda del exoesqueleto, los sensores lo mostraron tratando de bajar 100 libras con cada mano. Sin embargo, Jacobson explicó que el objetivo del sistema es hacer que la presión que sienten estos sensores sea cercana a cero para que XOS pueda funcionar.

Estos sensores manuales transmiten los datos medidos a una unidad central de procesamiento cientos o incluso miles de veces por segundo. El sistema introduce datos en una serie de fórmulas para calcular la orientación y el movimiento de los brazos, piernas y espalda del exoesqueleto. Finalmente, me di cuenta de que Jameson quería bajar las manos y descubrí cómo debía moverse cada músculo artificial de cada articulación para imitar sus movimientos. Jameson nunca sintió ninguna carga porque el sistema ordenó al brazo robótico que le quitara la barra antes de que realmente ejerciera fuerza. Después del ejercicio, se quitó el XOS y no mostró signos de falta de aliento. Le pregunté cómo se sentía. "Bien", dijo, encogiéndose de hombros.

El XOS que Jameson demostró era aproximadamente la versión 4. Jacobson me muestra una habitación donde los primeros tres prototipos de chaquetas mecánicas cuelgan como marionetas en estantes. Esto inmediatamente me recordó el “salón de la armadura” de Iron Man: la habitación donde Stark guarda su armadura. El primer traje mecánico se construyó en 2002 y no tenía energía. El equipo de Sacos lo construyó para demostrar que un exoesqueleto puede moverse libremente como un cuerpo humano. Jacobson ató a un ingeniero a su ropa y le hizo probar varios movimientos complejos, como patear una pelota, correr y subirse a la cabina de un automóvil. A través de esta serie de experimentos, confirmaron que se utilizó la articulación correcta en el lugar correcto.

Es más difícil abrir y cerrar estas articulaciones con la velocidad y fuerza adecuadas. En 2003, Sacos comenzó a fabricar músculos artificiales con actuadores hidráulicos. Este método no fue iniciado por él. De hecho, otro investigador de exoesqueletos cree que la dependencia del sistema hidráulico del XOS conducirá en última instancia a su fracaso. El ingeniero anónimo nunca ha visto XOS en persona, pero ha visto un clip de noticias en YouTube. Dijo que el sistema hidráulico consumía demasiada energía. En su opinión, los actuadores eléctricos son mejores porque su consumo energético va acorde con la acción. Jacobson, sin embargo, rechaza con impaciencia esta crítica. "¿Te gustan los frenos de tu coche? ¿Quieres que funcione el sistema de aterrizaje de tu avión? Es todo hidráulico". Más tarde añadió que había solucionado el problema del desperdicio de energía. Pero no quiso explicar los detalles, solo dijo que Sacos rediseñó la válvula para controlar el flujo de líquido para que solo se active cuando sea necesario, por lo que se consume energía cuando la ropa mecánica se mueve.

Aunque fue impresionante en el levantamiento de pesas, XOS no logró todos los objetivos de Darpa. No te permitirá hacer volteretas en el aire, no te ayudará a correr más rápido y no te convertirá en un hombre fuerte. Sin embargo, Obsek dijo que uno de los objetivos iniciales de Darpa era ver si su lista de deseos era alcanzable. De los tres equipos involucrados en el proyecto (Sacos, el Laboratorio Nacional Oakridge y la Universidad de California, Berkeley), XOS surgió en 2005 como el más cercano a un concepto del Pentágono y se convirtió en el primer cuerpo exterior de cuerpo completo aprobado por el ejército estadounidense para moverse. a la siguiente fase de la investigación del esqueleto. El Instituto de Cooperación Estados Unidos-China ha recibido 654,38 millones de dólares del ejército para cubrir dos años de investigación.

Jameson volvió a ponerse XOS para demostrar ejercicios de relajación. Observé cómo la chaqueta del robot de 150 libras imitaba cada uno de sus movimientos como una sombra, con solo seis articulaciones tocándose entre sí. Imagine la enorme cantidad de datos que fluyen entre varios sensores y la CPU cada segundo. La escena frente a usted es tan emocionante como los efectos especiales de la película Iron Man. Apenas puedo evitar imaginarme a Jameson volando por los tejados. Sin embargo, esto no puede suceder. Para salir de la cueva, primero debes cortar los cables que conectan el XOS. El mundo de los investigadores de exoesqueletos es pequeño, secreto y lleno de intriga. Aunque no entiendas cómo funciona el dispositivo de tu oponente, aun así encontrarás la oportunidad de ser sarcástico. El ataque más común es: “Le preguntas cómo planea proporcionar poder.

XOS y otros dos exoesqueletos líderes de laboratorios estadounidenses intentaron abordar el problema desde diferentes ángulos. Jacobson decidió construir primero un traje espacial razonablemente capaz y luego descubrir cómo proporcionarle entre cuatro y 24 horas de electricidad (el requerimiento mínimo de energía de Darpa). En todas las demostraciones que he visto, Jameson y el XOS están conectados a una bomba hidráulica a través de la cual obtienen energía de una fuente de energía externa, pero solo durante 40 minutos a la vez, otros dos investigadores del exoesqueleto, el profesor Hugh Herr del MIT. y Hamayong Kazrouni de la Universidad de California, Berkeley, han comenzado a abordar el problema de la energía.

Hal está intentando construir una máquina impulsada con los pies que utilice la menor cantidad de energía posible y que requiera sólo 2 vatios para arrancar. , el equivalente a una radio portátil, pero puede soportar 80 del peso corporal de 80 libras del usuario. Debido a que el diseño afecta la forma de andar del usuario, utilizará un poco más de energía cuando se usa que cuando no se usa. En un futuro próximo, podrá mejorar la estructura mecánica para que la máquina con el tiempo ayude a ahorrar en lugar de consumir desgaste. En última instancia, imagina que el dispositivo se utilizará para recreación, donde la gente pueda ir de excursión y correr durante un día sin cansarse. trabajando en su motivación

Katzluny dice que su exoesqueleto "HULC" de las extremidades inferiores puede funcionar durante 20 horas seguidas, lo que permite al usuario cargar 100 libras pero consumir un 150% menos de oxígeno. >El dispositivo de Katzluny aún no está disponible para demostración. Solo reveló que el sistema funciona de manera similar a un automóvil híbrido que utiliza la energía generada al frenar para cargar la batería. El solo hecho de caminar es suficiente para generar un flujo constante de energía. ha recibido 2 millones de dólares del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología para mejorar el sistema, que ayudará a las personas con problemas de movilidad a caminar nuevamente. "Esta no es una máquina de guerra", afirmó. "Nuestra máquina puede reemplazar a las sillas de ruedas". >

El competidor más fuerte de XOS también es un dispositivo médico, pero está ubicado al otro lado del Pacífico en Japón. En 2004, el experto en robótica japonesa Yoshiyuki Shanhai fundó una empresa llamada Cyberdyne (el mismo nombre que la empresa que desató la revolución de los robots en el país). película "Terminator") para comercializar su exoesqueleto mecánico de cuerpo completo HAL-5. No utiliza el estilo XOS, sino que se conectan sensores al cuerpo del usuario y reciben sus señales musculares para determinar sus intenciones de movimiento. Esto significa que el sistema de control de la chaqueta mecánica puede aprender e imitar la postura natural del usuario. Se necesitan al menos 30 minutos para coordinar los dos; no puedes esperar moverte libremente tan pronto como te la pones, pero el HAL-5 sí. Se utiliza principalmente como ayuda de rehabilitación y auxiliar de enfermería, por lo que media hora de entrenamiento no es un problema. El traje que funciona con baterías permite a las enfermeras levantar al paciente corpulento tan fácilmente como a un niño. Shanhai Jiazhi ha comenzado a arrendar HAL-5 a clientes. En los cómics de Iron Man, el superhéroe es derribado y tirado en el suelo de la guarida de su enemigo. El monitor del casco le dio malas noticias: se había agotado la batería. Pero hay esperanza. Clavó los dedos en el suelo de cemento, encontró un cable y rápidamente lo cargó.

Desafortunadamente, cargar un exoesqueleto es mucho más engorroso en el mundo real. Por lo tanto, es posible que el primer XOS en el campo de batalla incluso estuviera cableado. Obsuke imaginó que en esta versión original era más probable que fuera un ingeniero que un soldado. Cuando se conecta a la fuente de alimentación de un buque de guerra o vehículo militar, XOS puede ayudar a los soldados a descargar rápidamente desde un helicóptero que transporta armas pesadas o reparar un tanque con una oruga rota. Aunque el Ejército espera probar una versión cableada de XOS en el campo de batalla para 2009, Jacobson y sus colegas todavía están trabajando intensamente en el desarrollo de su propia versión motorizada.

Este verano, el Instituto de Cooperación Sino-EE.UU. trabajará con una empresa de diseño de motores para desarrollar un motor que pueda alimentar XOS de forma continua durante varias horas.

Además, Jacobson se mostró reacio a revelar más. Preferiría hablar de otro desafío más interesante, en lugar de construir un motor potente, reduciendo el apetito energético del XOS.

Jacobson me mostró una nueva pierna robótica energéticamente eficiente que imita el diseño de las piernas humanas. Nuestras caderas producen la mayor cantidad de energía cuando caminamos. Cuando las piernas están al frente, las rodillas y los pequeños músculos que las rodean están completamente relajados, logrando que nuestros pies aterricen en el suelo en la posición ideal. Esta tecnología de giro libre es extremadamente eficiente desde el punto de vista energético. Kazrouni y Hal lo han diseñado en el exoesqueleto de sus extremidades inferiores. Jacobson lo está diseñando como una versión futura de XOS. "El próximo paso", dijo, que podría ser dentro de unos años, "será lograr el objetivo de caminar con 1 a 3 caballos de fuerza. En este punto, todo lo que se necesita es una batería portátil que proporcione una duración prolongada". fuerza.

Jacobson ve la versión actual como un modelo básico que eventualmente se adaptará en varias versiones para realizar diferentes misiones, ya sea en hospitales o en el campo de batalla. Los modelos futuros pueden incluso estar completamente automatizados. "Sal y le dices: 'Ve tú solo a ese edificio, porque me da pereza ir'".

Más tarde, cuando caminé por el vestíbulo del Instituto de Cooperación Sino-Estadounidense, Vi en el televisor de pantalla plana una caricatura que representa el futuro XOS. En un clip, los soldados que usan XOS vuelan sobre paredes altas con misiles en sus hombros e incluso pueden hacer elegantes volteretas hacia atrás. Aunque están encerrados en esqueletos mecánicos, parecen ser tan ágiles como los linieros de fútbol. Parecen Iron Man.