К.Г. ОВАКИМЯН Научный руководитель – В.Ф. ПЕТРУНИН, профессор НАНОСТРУКТУРНЫЕ СИЛОВЫЕ СИСТЕМЫ В ЭКЗОСКЕЛЕТАХ

К.Г. ОВАКИМЯН
Научный руководитель – В.Ф. ПЕТРУНИН, профессор
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
НАНОСТРУКТУРНЫЕ СИЛОВЫЕ СИСТЕМЫ
В ЭКЗОСКЕЛЕТАХ
Предложена концепция разработки и применения многофункциональных экзоскелетов. Главную роль в структуре этих систем играют специальные силовые и
энергетические элементы, создаваемые с применением углеродных наноматериалов и нанотехнологий. Приведено описание современных и перспективных экзоскелетов.
Экзоскелеты – специальные устройства, предназначенные для усиления силовых и защитных физических характеристик человека. Идеи создания таких устройств появились довольно давно, однако, по большей
части это были фантазии и планы на далекое будущее. Причиной этому
было множество технических трудностей, появляющихся при разработке,
создании и эксплуатации этих систем. К основным трудностям можно
отнести их чрезмерные габариты, большое энергопотребление и техническое несовершенство. Все это вкупе с неподъемной стоимостью долгое
время делало экзоскелеты нереализуемыми.
Однако бурное развитие электроники и композитных материалов сделало эти проблемы решаемыми. В начале XXI века множество организаций,
начиная с малых фирм до университетов, крупных
корпораций и военных центров заинтересовались
перспективами экзоскелетов. Некоторые из новых
моделей, как, например экзоскелет HAL-5 (Hybrid
Assistive Limb), созданный в университете Цукубы
(University of Tsukuba) даже вышли в официальную
продажу[2]. Так же к известным сейчас экзоскелетам является детище инженеров из MIT (Massachusetts Institute of Technology)[1]. Уже сейчас, применение экзоскелетов позволяет повысить физические
характеристики человека до 200% от изначальных.
Сотрудник университета
Tsukuba в экзоскелете HAL-5
Применение же нанотехнологий позволит значительно повысить, как
силу и защиту носителя, так и значительно превзойти предшественников в
энергоэффективности, надежности и простоте применения.
Наиболее перспективными считаются так называемые “мягкие” экзоскелеты. В отличие от обычных, работающих за счет электромоторов и
жесткого каркаса, мягкие экзоскелеты используют в качестве силовой
системы искусственные мышечные структуры, обволакивающие тело.
“Мягкие” экзоскелеты, уступают (на нынешнем этапе) моторам, но они
намного удобнее в эксплуатации, что для гражданского сектора немаловажно. Основой такого экзоскелета и искусственных мышц должны стать
особые морфодифферентные элементы (МДЭ) – простейшие конструкционные элементы, способные при определенных условиях изменять
морфологические характеристики.
Рис.1. Нить из углеродных нанотрубок (фото журнала Science)
В университете штата Техас (University of Texas, Dallas) качестве первых наноструктурных МДЭ было предложено использовать нити, сформированные из большого количества углеродных нанотрубок [3]. Под
воздействием излучения, материал способен изменять свою длину и, таким образом создавать полезное усилие. Однако, оказалось, что при
большом количестве повторений этой операции, материал начинает
“ползти” и разрушаться.
Тем не менее, именно углеродные структуры: нанотрубки, фуллерены
или графен, представляются, как наиболее перспективные. Проведение
дальнейших исследований приведет к получению наиболее эффективных
МДЭ – как простейших структур, из которых можно будет выстраивать
любые необходимые силовые системы.
По примерным расчетам, искусственные мышцы будут обладать силой, многократно превосходящей силу природных мышц, а энергозатраты
у них будут значительно меньше, чем у современных электромоторов
аналогичной мощности [4]. Уже сейчас можно предположить, что МДЭ
будет применяться в огромном диапазоне целей, от экзоскелетов изначально, до многочисленных силовых деталей и даже генераторов.
МДЭ обладают огромным потенциалом и, возможно, даже вытеснят
стандартные тепловые и электрические моторы из некоторых сред их нынешнего доминирования. И именно искусственные наноструктурные
мышцы в экзоскелетах станут отправной точкой появления новой технологической парадигмы эпохи нанотехнологий.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
Anne Trafton. 21st-century pack mule: MIT’s ‘exoskeleton’ lightens the load
// MIT TechTalk Volume – 52, Number 3, September 26, 2007.
Yoshiyuki Sankai. The Frontier to the Future, Cross-disciplinary Research on Cybernics.
// University of Tsukuba. May 1, 2008.
Ray Baughman. Ultrastrong Carbon-Nanotube Muscles. // Nanotech Institute at the University of Texas at Dallas. December 8, 2006.
Генри Шеппард. Искусственные мышцы. // Вокруг света, №6, июнь 2007.