Określenie „egzoszkielet” ma w wojsku szersze znaczenie niż w biologii, z której zostało zaczerpnięte. Pełni funkcję nie tyle pasywną – pancerza chroniącego organizm, tak jak u kra-bów, komarów czy raków, co przede wszystkim aktywną, to znaczy wzmacnia i poprawia zdolności ciała. W kontekście militarnym oznacza superstrój.
W 2000 roku DARPA zainicjowała program „Exoskeletons for Human Performance Augmentation”, z początkowym budżetem wynoszącym 75 mln dolarów. Oczekiwania, ja-kie miał spełniać egzoszja-kielet, były odzwierciedleniem ambitnych, wręcz fantastycznych ce-lów. DARPA marzyła o robocie, który umożliwiłby żołnierzowi noszenie kilkudziesięciu ki-logramów ekwipunku przez kilka dni bez odczuwania jakiegokolwiek zmęczenia, przenoszenie ciężkich ładunków (głównie broni i amunicji), ewakuowanie jednego, a najle-piej dwóch rannych żołnierzy, oraz wykonywanie skoków na dużą wysokość. Co więcej, ma-szyna miała być wyjątkowo odporna na zniszczenia bitewne, tak jak zbroja Tony’ego Starka.
Ponieważ w gruncie rzeczy DARPA chciała czegoś na wzór Iron Mana, wielu naukowców uznało, że projekt jest całkowicie nierealny, a próba jego realizacji będzie wielkim marno-waniem pieniędzy, zasobów i czasu20. Kilku inżynierów jednak podjęło wyzwanie, a wyni-ki ich prac okazały się wprost fantastyczne. Wizje science fiction zaczęły się urzeczywist-niać. Warto zatem przybliżyć trzy najbardziej zaawansowane współczesne amerykańskie egzoszkielety wojskowe, których rozwój sfinansowała DARPA.
20 G. Mone: Man of Steel. „Popular Science” May 2008, Vol. 272, Issue 5, s. 47.
Amerykański żołnierz...
W 2004 roku naukowcy z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley pod kierunkiem Homayoona Kazerooniego skonstruowali Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX)21. Ten egzoszkielet dolnych kończyn składa się z ponad 40 siłowników hydraulicznych oraz czujników. Sensory cały czas zbierają informacje o aku-rat wykonywanych i kolejnych ruchach ciała, przesyłają dane do komputera pokładowego, który analizuje je i aktywizuje poszczególne siłowniki. Komputer na bieżąco oblicza najlep-szą dystrybucję napięcia i ciężaru, a następnie równomiernie je rozkłada, tak by do mini-mum ograniczyć odczuwane przez człowieka obciążenie22. Dzięki temu BLEEX umożliwia swobodne noszenie na plecach ładunków o masie do 75 kg. Czujniki tworzą swoistą lokal-ną sieć połączolokal-ną z centralnym procesorem, która przypomina ludzki system nerwowy. Ruchy operatora, które egzoszkielet ma wspomagać, jednocześnie sterują maszyną. Człowiek ope-rator stał się integralną częścią pancerza. BLEEX odniósł sukces, stanowi bowiem wyjątko-wo antropomorficzny, ergonomiczny, wytrzymały, lekki, trwały, zwrotny i energetycznie au-tonomiczny egzoszkielet o potencjalnym zastosowaniu militarnym23.
21 Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory, Berkeley, CA. http://bleex.
me.berkeley.edu/research/exoskeleton/bleex [dostęp: 26.03.2013].
22 S.J. Mraz: Giving Soldiers a High-tech Leg up. „Machine Design”, 8 December 2005. http://machinedesign.com/article/
giving-soldiers-a-high-tech-leg-up-1208 [dostęp: 26.03.2013].
23 A. Chu, H. Kazerooni, A. zoss: On the Biomechanical Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). „IEEE/
Fot. 1. Egzoszkielet BLEEX stworzony na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley pod kierunkiem prof. H. Kazerooniego
UNIVERSITy OF CALIFORNIA, BERKELEy
Po tym pierwszym wielkim sukcesie laboratorium Kazerooniego kontynuowało prace, tworzyło kolejne modele i bioniczne egzoszkielety nowej generacji. Jednym z nich jest Exoclimber, skonstruowany tak, by wspomagał obciążoną osobę podczas wspinania się pod górę. W grudniu 2005 roku w naturalnych warunkach w Flat Irons Mountan Range w Boulder (Colorado) wypróbowali go rangersi24. Exoclimer został bardzo dobrze oceniony, w rapor-cie zanotowano bowiem, że jedynie wyobraźnia użytkowników sił specjalnych będzie ogra-niczała przyszłe zastosowania tego urządzenia podczas misji25.
Drugim sztandarowym militarnym projektem inżynierów z Berkeley jest Human Universal Load Carrier (HULC), stworzony w 2008 roku. Od 2009 roku egzoszkielet ten jest rozwija-ny przez firmę Lockheed Martin, która wykupiła na niego licencję. Ważący prawie 23 kg egzoszkielet umożliwia transportowanie ładunków o wadze do 90 kg przy maksymalnej pręd-kości 16 km/godz. Wykonane z tytanu nogi przenoszą cały ciężar z żołnierza na ziemię.
Egzoszkielet jest wyposażony w przystawki (lift assist device) służące do podnoszenia i prze-noszenia obiektów o masie do 68 kg, na przykład pocisków artyleryjskich, oraz w zestaw służący do transportowania rannych26. HULC, który zasilają cztery akumulatory litowo- -polimerowe, przy umiarkowanym wysiłku może działać nawet przez 20 godz.27, dostoso-wuje bowiem zużycie energii do aktywności człowieka. W modelu z 2012 roku akumulato-ry pozwalały na pracę w takumulato-rybie marszu przez osiem godzin. Lockheed Martin zlecił firmie Protonex Technology zaprojektowanie ogniw paliwowych, które zapewniłyby ciągłe zasila-nie przez 72 godz. nawet w wypadku intensywnego użytkowania podczas misji specjalnych28. HULC jest wyjątkowo antropomorficznym pancerzem wspomaganym, który idealnie dosto-sowuje się do ruchów człowieka, umożliwiając mu maszerowanie, bieganie, czołganie się i kucanie. Jest wygodny, łatwy i szybki w obsłudze – uwolnienie się z niego nie trwa dłużej niż 30 s. Nie tylko daje człowiekowi dodatkową siłę, przyspiesza poruszanie się, ułatwia utrzymanie równowagi, lecz także zmniejsza o 15% zużycie tlenu, tym samym znacznie ogranicza zmęczenie29.
Od przejęcia projektu przez Lockheed Martin pracowano nad udoskonaleniem egzoszkieletu i dostosowaniem go do wymogów współczesnego pola walki. W lipcu 2010 roku firma podpi-sała umowę z Natick Soldier Systems Center amerykańskiej armii w Massachusetts, zgodnie
ASME Transactions on Mechatronics” April 2006 Vol. 11 No. 2, s. 128–138; H. Kazerooni, R. Steger, L. Huang: Hybrid Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton. „The International Journal of Robotics Research” May–June 2006, Vol. 25, No. 5–6, s. 561–573.
24 T. Withington: The Incredible Hulks. „Armada International” October–November 2010, Vol. 34, Issue 5, s. 32.
25 ExoClimberTM. Berkeley Robotics & Human Engineering Laboratory, Berkeley, CA. http://bleex.me.berkeley.edu/research/
exoskeleton/exoclimber [dostęp: 26.03.2013].
26 J. McHale: Exoskeleton Technology Reduces Soldier Fatigue and Injury. „Military and Aerospace Electronics” June 2009, Vol. 20, Issue 6, s. 6, 12; T. Withington: The Incredible Hulks, op.cit., s. 33.
27 T. Withington: The Incredible Hulks, op.cit., s. 32.
28 D. Axe: Combat Exoskeleton Marches Toward Afghanistan Deployment. „Wired”, 23 May 2012. http://www.wired.com/
dangerroom/2012/05/combat-exoskeleton-afghanistan [dostęp: 27.05.2013]; Human Universal Load Carrier (HULC), United States of America. Army-technology.com. http://www.army-technology.com/projects/human-universal-load-carrier-hulc [dostęp: 27.03.2013].
29 M. Fairley: I, Robot. Robotic Technology Adds a New Dimension to Orthotics. „The O&P Edge” March 2009, Vol. 8, No. 3.
http://www.oandp.com/articles/2009-03_01.asp [dostęp: 26.03.2013].
Amerykański żołnierz...
z którą w czerwcu 2011 roku rozpoczęto testy i wszechstronną ocenę wojskowej funkcjonalno-ści HULC30. Egzoszkielet sprawdzono w różnorodnych warunkach przy różnym obciążeniu i prędkościach31. Po pomyślnie przeprowadzonych testach biomechanicznych amerykańska ar-mia jesienią 2012 roku wypróbowała egzoszkielet w warunkach terenowych w Afganistanie.
W ramach programu DARPA „Exoskeletons for Human Performance Augmentation” po-wstał jeszcze jeden pancerz wspomagany – XOS. Stworzył go zespół Stephena Jacobsena we współpracy z założoną przez niego w 1983 roku firmą Sarcos z Salt Lake City. Jacobsen jest ekspertem robotyki i znanym konstruktorem, między innymi 80-tonowego mechanicz-nego dinozaura oraz słynnych tańczących fontann przed hotelem Bellagio w Las Vegas.
Pierwszy model XOS powstał w 2002 roku i chociaż nie spełniał wszystkich oczekiwań DARPA, to spośród początkowo rozwijanych egzoszkieletów najbardziej odpowiadał pier-wotnej wizji Agencji. Jako jedyny prototyp militarnego pancerza wspomaganego został wów-czas skierowany do następnej, finansowanej przez armię fazy rozwoju32.
Mechaniczny kombinezon składa się z 30 siłowników pełniących funkcję sztucznych sta-wów. Jest inteligentną maszyną, która wykrywa skurcze mięśni, interpretuje zamierzone ru-chy użytkownika i odpowiednio reaguje. Liczne czujniki rozmieszczone na całej konstrukcji nieustannie przekazują pomiary do centralnego procesora. W każdej sekundzie przez szkie-let przepływa ogromna ilość danych, które aktywują lub dezaktywują odpowiednie siłowni-ki. W ten sposób system steruje ciągłym i płynnym przejmowaniem ciężaru przez szkielet, tak by operator nie odczuwał żadnego znacznego wysiłku33. System rozpoznaje, na przykład, że człowiek chce opuścić rękę i oblicza, co każdy sztuczny mięsień powinien zrobić, aby na-śladować pracę jego stawów34. Ezgoszkielet jest więc niezwykle skomplikowanym systemem cybernetycznym, funkcjonującym na podstawie nieprzerwanego przepływu danych.
XOS, ważący 68 kg, pozwala podnosić ładunki o masie do 90 kg35. Człowiek może dźwi-gać takie obiekty nawet kilkaset razy, ale przestaje, i to nie tyle z powodu zmęczenia, ile znu-dzenia. Egzoszkielet pozwala żołnierzowi na wykonywanie zadań, do których normalnie po-trzebnych byłoby dwóch lub trzech mężczyzn. Zapewne w przyszłości będzie możliwe uwolnienie zasobów ludzkich i przesunięcie ich do bardziej strategicznych zadań. Pierwotne zastosowanie wojskowe, z myślą o którym egzoszkielet został zaprojektowany, a więc funk-cje logistyczne (przenoszenie oraz załadunek amunicji i zaopatrzenia), poszerzano, tak że ko-lejne modele są dostosowywane do bardziej uniwersalnych działań w warunkach bojowych.
Stephen Jacobsen stwierdził: Jeśli budujesz coś takiego jak egzoszkielet, to masz do czy-nienia z co najmniej 25 podsystemami i wszystkie z nich muszą działać, zanim możesz przejść do kolejnego etapu rozwoju36. Zgodnie z tym założeniem, w odróżnieniu od konstruktorów
30 M. Chavez: Exoskeleton Enhances Warfighter Strength, Reduces Injury. The United States Army, 6 January 2011. http://
www.army.mil/article/50144/exoskeleton-enhances-warfighter-strength-reduces-injury [dostęp: 27.03.2013].
31 Human Universal Load Carrier (HULC), United States of America. Army-technology.com. http://www.army-technology.
com/projects/human-universal-load-carrier-hulc [dostęp: 27.03.2013].
32 G. Mone: Man of Steel. „Popular Science” May 2008, Vol. 272, Issue 5, s. 52.
33 Ibidem, s. 51.
34 Ibidem.
35 T. Withington: The Incredible Hulks, op.cit., s. 33.
36 G. Mone: Man of Steel. „Popular Science” May 2008, Vol. 272, Issue 5, s. 50.
z Berkeley, Jacobsen najpierw skupił się na konstrukcji egzoszkieletu, natomiast do rozwią-zania później pozostawił problem zasilania. Dlatego przez długi czas model XOS był zasi-lany jedynie zewnętrznie, a pierwszy akumulator pozwalał na pracę zaledwie przez 45 mi-nut. Innym mankamentem XOS był hałas, jaki wytwarzał generator spalinowy.
Urządzenie drugiej generacji – XOS2 – jest obecnie rozwijane przez koncern Raytheon, który w 2007 roku wykupił firmę Sarcos. W porównaniu z pierwszym modelem wzmoc-niono konstrukcję, zwiększono elastyczność oraz o 50% zmniejszono zużycie energii.
Wyzwaniem dla inżynierów nadal jest jednak zasilanie, a celem Raytheona – zmniejsze-nie poboru mocy do 20% w porównaniu z modelem XOS137. Koncern przewiduje, że w 2015 roku jego ezgoszkielet, nadal jeszcze zasilany z zewnątrz, trafi do wyposażenia sił zbrojnych, a około 2020 roku będzie dostępny w wersji zasilanej autonomicznie, przy-stosowanej do wykorzystania w warunkach bojowych38.
Egzoszkielety, mimo oczywistej dominacji Stanów Zjednoczonych w ich rozwijaniu, nie są wyłączną domeną Amerykanów. Również Francuzi już mają swój wojskowy egzoszkielet – Herkules, skonstruowany na zamówienie ministerstwa obrony przez firmę
37 G. Warwick: Power Play. „Aviation Week & Space Technology” November 2010, Vol. 172, No. 40, s. 78.
38 L. Greenemeier: Post-9/11 Technology Brings Exoskeletons, Laser Cannons to 21st-Century U.S. Military. „Scientific American” September 2011, Vol. 305, Issue 3, http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=post-911-military-technology&page=2 [dostęp: 28.03.2013].
Fot. 2. Egzoszkielet HULC stworzony na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley pod kierunkiem prof. H. Kazerooniego
LOCKHEED MARTIN
Amerykański żołnierz...
RB3D. Pozwala on przenosić ładunki o wadze do 100 kg, a baterie umożliwiają pokona-nie 20 km przy prędkości 4 km/godz.39. System ma być dostępny dla francuskiej armii już w 2014 roku.
Żelazny, a w zasadzie tytanowy żołnierz przyszłości nie jest już jedynie wytworem fan-tastyki naukowej. Sama DARPA od dawna poszukuje inspiracji dla swoich nowych pro-jektów właśnie w wizjach fantastycznonaukowych. Tony Tether, wieloletni dyrektor Agencji (2001–2009), powiedział: Przysięgam, że najlepszymi kierownikami zarządzającymi pro-jektów DARPA są pisarze fantastyki naukowej40. Wizje science fiction są w coraz większej mierze urzeczywistniane. Nie sposób zatem nie zapytać, w jakim kierunku zmierzać będzie egzoszkieletyzacja amerykańskich sił zbrojnych i jaki będzie miała wpływ na żołnierza oraz na sposób prowadzenia działań militarnych.