| Exoesqueleto |
Programa EHPA
O programa da DARPA chamado Exoskeleton for Human Performance Augmentation (EHPA) tem o objetivo de melhorar a capacidade de carga, mobilidade e autonomia do soldado desmontado em uma grande gama de missões.
O exoesqueleto será um traje mecânico especial que multiplica as habilidades humanas com uso de próteses adicionados ao braço, torso e pernas como uma armadura.
Em termos simples, o exoesqueleto pode ser descrito como um conjunto de sensores e atuadores para detectar as ordens que o cérebro do solado dá aos seus músculos, e ampliar a respostas dos músculos por meios de ações mecânicas.
O programa EHPA foi lançado em 2000. Em 2001 foram recebidas seis propostas para desenvolver o EHPA. Em 2003 a Universidade de Berkeley e a Sarcos foram selecionadas.
Baseado nos planos atuais, o EHPA deve ter três fases:
- Fase 1 (fevereiro de 2003) irá desenvolver e testar tecnologias viabilizadoras, incluindo o sistema de energia, atuadores piezo-hidráulicos, interface e conforto, e controles de atuadores.
- Fase 2 (2004) irá cobrir o projeto, desenvolvimento e demonstração do exoesqueleto para melhorar a mobilidade das pernas.
- Fase 3 (2015) irá projetar, desenvolver e demonstrar um exoesqueleto com módulos superior e inferior completos.
As fases posteriores são incertas pois os militares americanos não estão ainda confiantes no conceito de exoesqueleto.
Estudos preliminares e jogos de guerra foram realizados com várias estruturas de desenvolvimento, incluindo dois exoesqueletos por pelotão, um grupo de combate de exoesqueleto por pelotão, e uma força de assalto completa de exoesqueletos.
Aplicações típicas podem incluir tarefas como "limpar" prédios, superar obstáculos, atacar posições fortificadas, mobilidade em terreno irregular, e assim por diante. Futuramente, os dois módulos iniciais deve ser suplementados por movimento vertical capaz de realizar saltos longos/altos para ultrapassar posições inimigas e "voar" sobre obstáculos. Dar dois HPs a mais de força pode ser suficiente.
A DARPA se juntou ao MIT para criar o ISN - Institute for Soldier Nanotechnologies - para estudar nanotecnologias para pesquisas militares. A DARPA contribui com US$50 milhões para pesquisas por cinco anos e outros órgãos e instituições com mais US$40 milhões.
A ISN foca em seis capacidades chaves: detecção de ameaça, neutralização de ameaças (como blindagem), ocultação, melhoria do desempenho, tratamento médico em tempo real, e diminuição da cadeia logística.
Também trabalha em sete áres de pesquisa: absorção de energia material, material mecanicamente ativo para o exoesqueleto, gerenciamento e detecção de assinatura, biomateriais e meios de tecnologia médica, processos de fabricação, modelagem e simulação, e integração de sistemas.
Na área de tecidos a nanotecnologia será usada para desenvolver roupas com tecnologia de invisibilidade e roupas que se tornam rígidas para tratar ferimentos como pernas quebrada. O objetivo é criar uma roupa de combate com capacidade adicionais para o soldado como proteção balística, biológica, aumento força e resistência e com comunicações avançados.
O objetivo atual é equipar o soldado com um exoesqueleto capaz de torna-lo 3-10 vezes mais forte, levar arma de 50kg e vestir 20kg de blindagem. Também poderá saltar 7 metros com sapatos que armazenam energia.
Com o exoesqueleto será possível aumentar a capacidade de carga, prolongar a autonomia, aumentar a velocidade, aumentar força humana e passar por obstáculos (em distância e altura ). O Pentágono quer um super soldado capaz de levantar 100kg com mesma facilidade de 10kg, correr duas vezes mais rápido e por distância maior.
Conceito do Soldier 2025. O exoesqueleto está sendo projetado com a premissa que combate do futuro será urbano. Como as tropas são menos capazes de usar blindados em cidades, os planejadores militares pretendem melhorar a armadura, armas, e eletrônicos do soldado desmontado. Sem ajuda de um exoesqueleto a carga não poderá ser grande. O mais importante no exoesqueleto pode ser diminuir as baixas pela proteção da armadura, que pesa 20kg. A blindagem atual leva duas placas, frontal e traseira. A futura protegerá outros locais e será mais capazes. A sobrevivência é o que preocupa os soldados quando estão em combate.
As pesquisas de exoesqueleto incluem roupas que tornariam o soldado invisível com o uso de nanotecnologia.
Pesquisas
As pesquisas relacionadas com o exoesqueleto podem ser dividido em cinco elementos básicos: estrutura, força, controle, desempenho no terreno e biomecânica.
Os desafios do projeto do exoesqueleto são grandes: materiais, atuadores, sensores, mais calor, barulho e peso de cada componente. O pior problema é a fonte de energia, não só para exoesqueleto, mas também para suportar os sistema de comunicações e os sensores.
Para ser utilizável, o sistema de exoesqueleto deve ter ma interface com o usuário bem enfática para que atuem como um sistema único. Isto deve ocorrer de forma qualitativa e quantitativamente de forma bem diferente do modo que o homem vem trabalhando com as interfaces homem-máquina atuais. Poderá até ser necessário reproduzir algum tipo de ligação neuromuscular usando miosinais como comando primário. A biomecânica deve resolver que se mova como soldado comum.
Alguns teoristas pensam em sistemas invasivos com implantes nos músculos e nervos. Outros pensam o contrário com um exoesqueleto que cuida do usuário se estiver ferido.
Para construir sistema onde um robô imita cada movimento é preciso criar um sistema muito complexo. Depois de detectar o movimento e medir a velocidade e força, o robô deve traduzir a leitura em movimentos paralelos e sincronizados por alguns dos componentes. Ao mesmo tempo outras componentes devem ajustar-se para manter o equilíbrio.
Isto já é feito atualmente com mãos robóticas capazes de levar cargas pesadas com precisão. Geralmente usadas com manuseio de material radioativo.
A gravidade, fricção, efeitos térmicos, erros do sensores e outros influencias são outras fatores a serem considerados. O mecanismo precisa de um software poderosos que já estão sendo criados.
Falhas podem causar desconforto e fadiga. Apenas 2kg de peso mal colocado num braço por 10 minutos pode deixar uma pessoa extremamente fatigada. Erros grandes podem ser perigosos. Os robôs industriais até matam pessoas próximas. O exoesqueleto podem até correr o risco de abraçar o usuário se algo der errado.
Os sistemas biológicos também estão sendo estudados. Os músculos humanos são os melhor meios para produzir força com pouco gasto de energia. Para se ter uma idéia, se todos os músculos humanos forem colocados juntos podem sustentar 20 toneladas. Porém, os humanos não suportam cargas por muito tempo. Alguns quilos podem exaurir uma pessoa em minutos.
Para ter utilidade militar o exoesqueleto também não pode produzir barulho e os músculos se encaixam neste requisito.
Além da interface homem-máquina, outro requerimento chave do exoesqueleto é a geração e distribuição de energia. A energia necessária para a parte inferior do exoesqueleto é estimada entre 200-1000W (um ciclista profissional gasta em média 350W). Isto vem levando ao estudo de conceitos sofisticados e exóticos com o CHAPS Chemo-Hydraulic Actuated Power System ( um motor linear de pistão livre acoplado a m armazenador hidráulico e meios de transmissão ), combustível de hidrogênio, combustores catalíticos termo-químicos, super capacitadores de células de energia híbridas PEM, atuadores hidráulicos piezo-elétricos, e outros. Deverá ser necessário produzir uma bateria para que o exoesqueleto funcione 24 horas e sem produzir ruído.
LEE
O LEE é o acrônimo de “Lower Extremity Enhancer” que está sendo conduzido na Universidade da Califórnia. O sistema sendo testado deve consistir inicialmente de um módulo inferior e outro superior, e será basicamente um assistente de locomoção ( como correr 35 km/h aceleradamente ) e funções de carga para aumentar o alcance de atividades que o soldado pode desempenhar com as limitações do ambiente operacional.
O LEE usa um motor a gasolina relativamente pesado. Com 1 litro tem autonomia de 15 minutos. Sem uma cadeira para sentar após perder a força o usuário cai no chão com o peso do sistema. O sistema é desconfortável e dá limitação a pessoa como roupa ou sapato apertado. Está sendo usado para verificar a teoria de controle.
O LEE foi desenvolvido na Universidade da Califórnia. Iniciou os testes em 2003 e o sistema completo com parte superior deve ser testado a partir de 2005. O protótipo já chega a 16km/h enquanto um homem caminha na velocidade de 6,4 a 9,6 km/h. O sistema completo planejado será capaz de levar 180kg e funcionar por 4h-24h. O soldado atual marcha a 2-4km/h levando 50kg. Com um exoesqueleto ele irá ser mover até três vezes mais rápido, levando pelo menos o dobro da carga como se estivesse levando 5-10kg. O preço esperado é semelhante a uma motocicleta. Com isto o soldado irá levar os mesmos 20kg dos soldados romanos.
A locomoção é enfatizada pelo EHPA pois 3% do mundo pode ser acessado por veículo, mas 85% pode ser acessado por um par de pernas.
Os exoesqueletos do futuro também pode ter outras formas como um minotauro destacável que reboca outro par de pernas levando carga no meio. Também poderá ter versões especializadas com vários tamanhos.
Pode ser fácil de entender que além do uso militar do exoesqueleto deve ter várias importantes aplicações civis. Um exoesqueleto pode ser usado na construção civil e em missões de resgate. Também ajudara paraplégicos a andarem.
O LEE agora é chamado Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). O BLEEX deve combinar um músculo robótico com controle humano. Deverá ser um sistema ergonômico, manobrável e robusto para andar, inclinar, nadar e saltar sem reduzir a agilidade.
O BLEEX consiste de uma perna mecânica conectada ao pé para evitar abrasão. Inclui unidade de força nas costas. Serve para atravessar grandes distâncias com grandes cargas. Pode ser usado por médicos para levar feridos ou resgate. O modelo atual pesa pouco mais de 30kg.
Um par de coturnos modificado foi atachado no exoesqueleto. São mais de 40 sensores e atuadores hidráulicos ligado por LAN que funciona com músculos e nervos. O BLEEX responde ao que o corpo faz e ajusta de acordo. O próximo passo será o transporte de uma carga de 50kg.
O modelo da Sarcos usa um sensor no é que responde a força com contraforça para contrabalançar e não para anular. O sistema apenas sente a força e não pensa como operar o sistema. Enquanto o BLEEX é capaz de levar 40kg, o sistema da sarcos leva mais de 50kg.
Bleex atual e mock-up de um modelo operacional.
Um projeto independente de amplificação do corpo é o Spring Walker que já foi testado a velocidade de 16km/h.
Histórico
A ficção científica também tem muitos exemplos de exoesqueletos que podem ter inspirado os sistemas atuais. Em 1959 nos desenhos em quadrinhos "Starship Troopers", os soldados usavam roupas propulsadas para destruir os inimigos interplanetários com mísseis e bombas de hidrogênio. Quatro anos após, os desenhos em quadrinhos da Marvel introduziu o Homem de Ferro, capaz de levantar toneladas com sua roupa de aço.
Os estudos reais para fazer um exoesqueleto motorizados datam dos anos 60, com estudos bem anteriores. Idéias de Hollywood podem ter iniciado no projeto de 1965 da General Electric que projetou um exoesqueleto com propulsão hidráulica e elétrica chamado Hardman 1. Ele podia levantar 125kg como se fosse 5kg. Era pesado como um carro e conseguia levantar um refrigerador com se fosse um tomate. Porém, apenas um braço funcionava e as tentativas de operar as pernas levava a movimentos incontroláveis e violentes.
O Hardman pesava 700kg.
Na década de 80 a Cidtines desenhou o Teiss P31, antecessor do exoesqueleto. O projeto foi abandonado por ser muito complicado de operar.
Em 1986 no filme Aliens, a Tenente Ripley usa um guindaste industrial (Power Loader) para combater a rainha alien.
Os guardas de Darth Vader, no filme Guerra nas Estrelas, também podem ser considerados o primeiro esboço do exosqueleto para soldados.
A ficção científica também tem exemplos que lembrar os soldados do futuro já citados. O percursos de todos os soldados do futuro pode ser o herói de quadrinhos Batmam. Foi o primeiro exemplo de relação entre corpo, maquina e tecnologia. Como soldado era um bom atleta, estrategista e detetive calculista. Também tinha muitos inimigos como ladrões, bandidos e capangas que ameaçavam o mundo. Sempre vai ao combate com cinto que inclui armas especiais. O centro de comando é um bunker cheio de computadores.
Os fuzileiros coloniais do filme Aliens - o Resgate também usavam armas e sensores parecidos com os programas atuais. Tinham câmeras de TV no capacete que transmitia imagens a um centro de comando. Todos usavam rádio e tinham sistema de monitoramento fisiológico. Também usavam armas futurísticas.
No filme Predator de 1987 o alienígena usava uma roupa que o tornava invisível. Os laboratórios estão estudando a nanotecnologia para aplicar aos tecidos e conseguir efeitos semelhantes para dar um efeito de camaleão aos tecidos. Também irá mascarar a assinatura infravermelha.
Solo Trek XFV
A Millennium Jet Inc (MJI) recebeu US$ 5 milhões da DARPA para desenvolver e testar um veículo de pouso e decolagem vertical ( VTOL ) monoposto para o programa EHPA. O veículo é chamado Solo Trek XFV (Exoskeletor Flying Vehicle)
O projeto foi iniciado em 1996 e o desenvolvimento durou 7 anos. Três pilotos voaram 76 horas em 63 vôos. A aeronave mostrou vôo pairado controlado. O programa suspenso em janeiro 2003 após os fundos do DARPA terem sido cortados e com risco de não serem mais disponibilizados para pesquisas posteriores.
O motor de dois tempos estava planejado para ser substituído por um turboshaft com 120-140 hp. O motor faz girar duas hélices em ductos. As 7 pás da hélice giram a 4.000 rpm. Os ductos são móveis para controlar a aeronave.
O XFV tem altura de 2,3 m, 2,65 m de largura e 1,5 m de comprimento. O peso vazio é de 125 kg e máximo de 325 kg. Os pilotos devem pesar no máximo 110kg. Alcance é de 240km e pode hoverar até 8.000 pés. A velocidade máxima é de 130km/h com autonomia de 90 minutos a 70 km/h.
O XFV contará também com um pára-quedas de acionamento automático em caso de emergência, sempre a mais de 30 metros do solo.
O XFV é veiculo para uma pessoa e não um exoesqueleto para vestir.
O uso potencial militar incluía vigilância, combate em localidade, assalto leve e busca e resgate.
O XVF é uma tentativa de recriar uma solução mais elegante tentada no fim da década de 70 pela Williams Research Corp. com seu Williams Aerial Systems Platform (WASP) II. O WASP era capaz de voar a 100km/h a até 3 mil metros com um peso total de 250kg. A propulsão era por um turbofan de míssil cruise e tinha autonomia de 30 minutos. O piloto ficava em pé dentro da fuselagem que parecia uma biga romana com dois patins laterais como trem de pouso.
A Bell Aerospace trabalhou no conceito Individual Lift Device e se juntou com a Williams International para construir um cinto propulsado por jato. Um turbofan montado em uma plataforma pesando cerca de 170kg foi mostrado ao US Army em 1969. Porém, sua manobrabilidade e boa autonomia eram prejudicadas pelo alto peso e a idéia foi esquecida. Em 1970, a Williams adquiriu os direitos de produzir o veículo e em 1973 produziu o WASP I (Williams Aerial System Plataform) para testes no USMC. O veículo operou apenas amarrado e falta de fundos atrasou o projeto. O US Army mostrou interesse em 1977 e a Williams construiu dois protótipos operacionais em 1980. A plataforma usava um motor de míssil cruise de 600lb de empuxo e foi chamada WASP II. A plataforma operava com o tripulante inclinando o corpo na direção desejada. A rotação axial e altitude eram controladas pelas mãos. Pesava 105kg, levava 75kg de combustível e um operador de 65kg. Voava a até 80km/h e subia até 30 metros. O WASP foi um dos primeiras tentativas do US Army de projetar um veículo aéreo de transporte individual semelhante a um jipe aéreo.
Atualizado em 10 de Agosto de 2004
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