رباتیک پوشیدنی نظامی پویاترین زیرمجموعه صنعت اسکلت‌های بیرونی است. اسکلت‌های بیرونی نظامی توسط کشورهای آمریکا، چین، کانادا، کرۀ جنوبی، بریتانیا، روسیه و استرالیا آزمایش می‌شوند و این‌‌ها تنها پروژه‌هایی است که عموم مردم از آن آگاه هستند. بسیاری از پروژه‌های اسکلت بیرونی نظامی مخفی باقی می‌مانند. با این حال برای بررسی روند تغییرات اسکلت‌های بیرونی نظامی طی ۱۰ سال گذشته و مسیری که توسعه‌دهندگان در پیش گرفته‌اند، اطلاعات کافی در حوزه عمومی وجود دارد.

تاریخچه اسکلت‌‌های بیرونی نظامی

مانند تاریخ جنگ، تاریخچۀ اسکلت‌های بیرونی از سختی و ناامیدی پرشده است. کتاب « Starship Troopers»  که در سال ۱۹۵۹ منتشر شده است، نخستین داستان تخیلی فراگیری محسوب می‌شود که به زره‌های برقی اشاره کرده است. با اینکه چند ثبت اختراع اولیه و نقشه‌های ترسیمی اولیه در مورد ایده ظاهر یک اسکلت بیرونی نظامی وجود داشت، پژوهشگران این حوزه متوجه شدند که این فناوری راهی طولانی برای ورود به مناطق جنگی پیش رو دارد.

محیط نستباً کنترل‌شده و ساختار یافتۀ بیمارستان‌ها، مراکز توانبخشی و کارخانه‌ها، زمینه‌ای مناسب برای بکارگیری رباتیک پوشیدنی فراهم می‌کند.

حدود سال ۲۰۱۰ میلادی، دو پروژه بزرگ اسکلت بیرونی نظامی توجه عموم را به خود جلب کردند: اسکلت بیرونی HULC ساخته شرکت‌های Ekso Bionics و Lockheed Martin و اسکلت‌های بیرونی XOS  و XOS2 ساخته شرکت Sarcos/Raytheon. هردو اسکلت‌ بیرونی از نوع تمام تنه و برای ارتقاء قابلیت تحرک سربازان بودند. هر دو پروژه توجه مردم را به خود جلب کرده و تخیل آنها را برانگیخت و با هر مقاله و خبر، اغراق در مورد توانایی‌ها و موفقیت این دو اسکلت بیرونی افزایش می‌یافت. بنابراین هنگامی که ارتش ایالات متحده دیگر علاقه‌ای به این دو پروژه نشان نداد باعث تعجب همگان شد. به نظر می‌رسید تنها طی چند ماه فناوری اسکلت بیرونی از شرایطی که به نظر می‌رسید تنها چند ماه تا بکارگیری کامل در ارتش فاصله دارد به چیزی بی‌فایده تبدیل شد که پیگیری آن ارزشی نداشت.

عامل شکست اسکلت‌های بیرونی نظامی اولیه، اندازه و توان مصرفی آنها بود. از آنجا که هر دو اسکلت بیرونی HULC و XOS از نوع تمام‌تنه بودند، دارای چارچوب‌های فلزی بزرگ و چندین عملگر بودند. اندازه‌گیری و توصیف اینکه تمام این عملگرهای مستقل در واقعیت چه کاری برای سرباز انجام می‌دهند به اندازه کافی مشکل و تأمین توان آنها غیرممکن بود. پروژه XOS با این ایده که فناوری باتری‌ها به اندازه کافی توسعه پیدا خواهد کرد، ابتداء بر توسعۀ موتورها و سامانه‌های کنترلی متمرکز شد. اسکلت بیرونی XOS2 نیز از نوع مهار شده بود و نیاز به اتصال به منبع توان خارجی داشت. هنگامی که مشخص شد هیچ باتری برای مدت طولانی قادر به تأمین توان این اسکلت بیرونی نیست، توسعۀ آن متوقف شد.

پروژه HULC نیز با مشکلات تأمین توان مشابه با XOS روبرو شد ولی Ekso Bionics و Lockheed Martin به سختی تلاش کردند تا این مشکلات را برطرف کنند. اسکلت بیرونی HULC به دفعات بازطراحی شد تا توان کمتری مصرف کند. از نقطه‌ای به بعد، یک موتور گازی کوچک وارد کار شد. ولی همانطور که شرکت Boston Dynamics اکنون متوجه شده است، ارتش ایالات متحده، ایده بکارگیری موتورهای پر سروصدا که موقعیت نیروها را افشاء می‌کند مناسب نمی‌داند.

در نهایت، با بکارگیری موتور گازی،  اسکلت بیرونی HULC قادر بود با توان تولیدی خود، چندین ساعت حرکت کند و میزان سوخت و ساز پوشنده خود را کاهش دهد ولی این پروژه با مانعی جدید مواجه شد. ارتش آمریکا میزان ساعاتی را که اسکلت بیرونی HULC باید بدون شارژ مجدد کار می‌کرد افزایش داد. پس از آن پروژه در یک حلقه نامتناهی افتاد. برای افزایش مدت کارکرد، باتری سینگین‌تری نیاز بود که این افزایش وزن خود نیازمند افزایش توان تأمین شده برای اسکلت بیرونی بود و مجدداً باید باتری افزایش می‌یافت و این چرخه ادامه می‌یافت. در حالی که اسکلت بیرونی HULC ناموفق بود، نسخه تکمیل نشده آن، بدون موتور و اجزای الکترونیکی با نام iHAS یکی از نخستین اسکلت‌های بیرونی غیرفعالی بود که امید به استفاده از آن در صنایع و محل کار وجود داشت. اسکلت بیرونی iHAS به آرامی به اسکلت بیرونی Mantis تبدیل شده و الهام بخش اسکلت‌های بیرونی Ekso Works و  FORTIS شد.

طی سالها، اسکلت‌های بیرونی نظامی، به دستگاه‌هایی سبک‌تر، کوچکتر و تخصصی‌تر تبدیل شده‌اند. برای مقایسه، برخی از نسخه‌های اولیه HULC تا ۲۴ کیلوگرم وزن داشتند در حالی که این عدد برای بسیاری از اسکلت‌های بیرونی نظامی جدید به ۵ کیلوگرم رسیده‌ است.

چالش‌های اسکلت‌های بیرونی نظامی

اسکلت‌های بیرونی نظامی با چالش‌هایی مشابه با بسیاری از همتایان صنعتی خود روبرو هستند: راحتی بکارگیری برای چندین ساعت و یکپارچه شدن با تجهیزت و استانداردهای موجود. اسکلت‌های بیرونی نظامی باید همراه با تجهیزات نظامی پذیرفته شده کار کنند. برای مثال اگر جلیقۀ ضد گلوله یک پیاده نظام، با اسکلت بیرونی نظامی تداخل داشته باشد، این اسکلت بیرونی است که حذف خواهد شد. اسکلت‌های بیرونی نظامی باید فراگیر و کلی و در عین حال راحت و کاملاً یکپارچه با سرباز باشند و مانع استفاده از سلاح یا اختفاء سرباز نگردند.

به همین دلیل است که عملگرها و موتورهای بسیاری از آخرین اسکلت‌های بیرونی نظامی پشت یا جلوی کاربر قرار گرفته‌اند. این چیدمان دقیقاً در مقابل اکثریت قریب به اتفاق اسکلت‌های بیرونی است که بخش عمده‌ای از دستگاه روی مفصل ران یا کنار پاها قرار می‌گیرد.

همچنین، این اسکلت‌های بیرونی باید قابل اطمینان و با دوام باشند. اگر یک سرباز چترباز نیاز به پرش از ارتفاع، فرود روی یک دریاچه، خزیدن از میان گل و لای و دویدن برای درگیری با دشمن باشد، اسکلت بیرونی باید تحت این شرایط کار کرده و به یک مانع و دردسر تبدیل نشود.

فرصت‌های پیش‌روی اسکلت‌های بیرونی نظامی

فرصتی واقعی برای بکارگیری اسکلت‌های بیرونی در حوزه نظامی وجود دارد. به عنوان یک قاعده کلی، با بیشتر شدن تجهیزاتی که سربازان باید بپوشند، مسافت قابل پیمایش توسط آنها کاهش می‌یابد. از نظر ایمنی، مسافتی که یک واحد نظامی می‌تواند پوشش دهد با میزان پوشش حفاظتی که سربازان می‌توانند بپوشند نسبت عکس دارد. استفاده از اسکلت بیرونی که میزان سوخت و ساز بدن پیاده نظام مجهز به تجهیزات را کاهش می‌دهد به معنی پوشش مسافت بیشتر، داشتن منابع بیشتر، استقلال بیشتر و داشتن پوشش حفاظتی بیشتر است.

تمام اسکلت‌های بیرونی به جز سری Mojo ساخت ۲۰KTS+ با هدف کاهش سوخت و ساز بدن طراحی شده‌اند. این اسکلت‌های بیرونی ممکن است توان کمکی مستقیم را هنگام راه رفتن به سرباز وارد کند و تلاش کند وزن برخی از تجهیزات را به زمین منتقل کند. اسکلت‌های بیرونی Terra Mojo و Marine Mojo ساخته  ۲۰KTS+ میزان لرزش وارد شدن به بدن سربازان ایستاده روی قایق‌های کوچک و خودروها را کاهش می‌دهند.

دسته‌بندی‌ها و نمونه‌ها

اسکلت‌های بیرونی نظامی مانند سه زیرگروه دیگر اسکلت‌های بیرونی (طبی، صنعتی، شخصی) می‌توانند براساس عملکرد به دسته‌های تقسیم شوند.

اسکلت‌های بیرونی نظامی تمام تنه

ربات‌های پوشیدنی وجود دارد که پاها و بازوها را می‌پوشانند. خارج از داستان های علمی تخیلی (فیلم، کتاب و بازی های رایانه ای) تعداد کمی نمونه‌های واقعی در حال توسعه هستند. تمام اسکلت‌های بیرونی تمام‌تنه، نقاط ضعفی مشابه با HULC و XOS2 دارند. این دستگاه‌ها بزرگ بوده، تعداد زیادی عملگر داشته و تأمین توان و کنترل آنها دشوار است. در نتیجه، بسیاری از پروژه‌های تمام‌تنه بعدی به دو بخش مجزا یا ماژولار بالاتنه و پایین‌تنه تقسیم شدند.

اسکلت‌های بیرونی تمام تنه که به مرحله پیش‌نمونه رسیده‌اند عبارتند از:

اسکلت بیرونی HULC ساخت شرکت‌های Lockheed Martin و Ekso Bionics

اسکلت‌های بیرونی XOS و XOS2 ساخت شرکت Sarcos/Raytheon

اسکلت‌های بیرونی نظامی پایین‌تنه

اسلکت‌های بیرونی پایین‌تنه به پاها کمک می‌کنند. اگر دستگاه پوشیدنی تا زمین امتداد یابد می‌تواند برای انتقال وزن نیز بکار رود. از آنجکه اسکلت بیرونی نظامی باید انعطاف‌پذیر و انطباق‌پذیر باشد، همواره مقدار بار قابل حمل هنگام حرکت سریع محدود می‌شود. همچنین این دستگاه‌ها می‌توانند به طور کلاسیک از چارچوب‌های فلزی سخت و یا به طور کامل از مواد منعطف ساخته شوند. هدف این اسکلت‌های بیرونی کمک به سربازان و کاهش سوخت و ساز بدن آنهاست.

نمونه‌هایی از اسکلت‌های بیرونی نظامی پایین‌تنه عبارتند از:

• اسکلت بیرونی Compliant Universal Knee Exosuit ساخت مشترک Ekso Bionics و دارپا
• اسکلت بیرونی ExoAtlet ساخت شرکت ExoAtlet
• اسکلت بیرونی Hercule ساخت شرکت RB3D
• اسکلت بیرونی Kinetic Operations Suit ساخت شرکت B-Temia
• چند پیش‌نمونه ساخت دانشگاه ایالتی آریزونا
• چند پیش‌نمونه ساخت شرکت SpringActive
• اسکلت بیرونی Wyss Exosuit ساخت مشترک Wyss Institute و دارپا
• اسکلت بیرونی SuperFlex ساخت شرکت SRI Robotics
• پیش‌نمونه‌ای ناشناس ساخت Chinese PLA
• اسکلت بیرونی Hip Actuating Exoskeleton for Running Assistance ساخت شرکت West Point
• اسکلت بیرونی Power Armor ساخت شرکت Ekso Bionics و  SRI Robotics

اسکلت‌های بیرونی نظامی غیرفعال

اسکلت‌های بیرونی غیرفعال، هیچ عملگر، باتری یا اجزای الکترونیکی ندارند. دو نمونه خوب از کاربرد اسکلت‌های بیرونی غیرفعال در زمینه نظامی اسکلت‌های بیرونی  Marine Mojo و Operations  هستند. اسکلت بیرونی Marine Mojo ساخت شرکت ۲۰KTS+ برای جذب تنش‌ها و لرزش‌های وارد شده به بدن افراد روی قایق‌های کوچک و تندرو طراحی شده‌ است. این اسکلت‌بیرونی یک سیستم تعلیق سبک است. اسکلت بیرونی Operations  توسط سازمان علوم و فناوری دفاعی استرالیا برای انتقال مستقیم بخشی از وزن کوله‌پشتی سرباز به زمین طراحی شده است.

نمونه‌های از اسکلت‌های بیرونی غیرفعال عبارتند از:

• اسکلت بیرونی Marine Mojo ساخت شرکت ۲۰KTS+
• اسکلت بیرونی Terra Mojo ساخت شرکت ۲۰KTS+
• اسکلت بیرونی Operations Exoskeleton ساخت شرکت DSTO

اسکلت‌های بیرونی نظامی با عملکرد بازیابی توان

اسکلت‌های بیرونی بازیاب توان به عمد برای راه رفتن سرباز مانع ایجاد می‌کنند تا به جمع‌آوری انرژی بپردازند. انرژی جمع شده می‌تواند به الکتریسیته تبدیل شده و برای شارژ باتری یا مستقیماً برای تأمین توان وسایل الکتریکی مانند دستگاه‌های ارتباطی بکار گرفته شود. برخی اسکلت‌های بیرونی پایین‌تنه می‌توانند از دستگاهی کمکی به دستگاه جمع‌آوری انرژی تبدیل شوند ولی این  کار باعث سنگین‌تر شدن آنها می‌شود. برای داشتن دیدی از پیش‌نمونه یک اسکلت بیرونی زانوی جاذب انرژی می‌توانید به مقاله ارتش ایالات متحده و سپاه تفنگداران دریایی آمریکا به دنبال آزمایش مولد‌های الکتریکی پوشیدنی مراجعه کنید.

نمونه‌هایی از اسکلت‌های بیرونی جاذب انرژی عبارتند از:

اسکلت بیرونی PowerWalk ساخت شرکت Bionic Power

اسکلت بیرونی SPaRK ساخت شرکت SpringActive

اسکلت‌های بیرونی نظامی ساکن

شاید عجیب به نظر برسد که چرا ارتش سامانه اسکلت بیرونی می‌خواهد که نمی‌تواند هیچ جا برود. ولی واقعاً یک نمونه از این اسکلت‌های بیرونی در حال توسعه است. این اسکلت بیرونی با نام MAXFAS یک اسکلت بیرونی بازویی برای تثبیت هدف بازوی شلیک کننده است. بر اساس پژوهش‌های انجام شده روی اسکلت‌های بیرونی مهارکننده لرزش، Dan Baechle به این فکر افتاد که با فناوری مشابه، حرکات و تغییرات طبیعی دست را خنثی کند. پژوهش‌های اولیه او بسیار امیدوارکننده بود و افرادی که این سامانه را آزمایش کرده‌اند توانسته‌اند هدف‌گیری خود با سلاح را بهبود بخشند.

منبع: Exoskeleton Report