만화에서 기계까지의 기계적 외골격

맨해튼에 있는 매직 코믹스 본부에서 '아이언맨' 만화 편집자 톰 브레프트가 나에게 토니 스타크에 대해 간략하게 소개했다. MIT 졸업생, 스타 과학자/엔지니어, 부자 상속자, 플레이보이, 술고래. 나중에 악당들은 스타크를 납치하고 그에게 치명적인 무기를 만들도록 강요합니다. 대신 그는 금속 갑옷을 만들었습니다. 탈출 후 갑자기 정신을 차린 그는 갑옷을 강화하고 이기적인 천재에서 진정한 슈퍼 히어로로 변신했습니다.

아이언맨은 제트기보다 빠르고, 1,000톤을 들어 올릴 수 있으며, 중무장된 컴퓨터에 침입할 수 있습니다. 환상처럼? 물론 브레프트는 "아이언맨은 항상 현실보다 앞서야 한다. 그렇지 않으면 만화적 기준으로 보면 화석이 될 것"이라며 이것이 판타지의 매력이라고 말했다.

1963년 이 캐릭터가 처음 등장했을 때, 군대는 또한 자체적인 "아이언맨"을 구상하고 있습니다. 같은 해 미 육군 무기 연구원인 세르게이 자루드니(Sergey Zarudny)는 착용자에게 헐크와 같은 힘을 줄 수 있는 착용형 로봇 슈트의 설계를 설명하는 보고서를 발표했지만 이를 달성할 수 있는 도구는 아직 존재하지 않았습니다. 몇 가지 비군사적 디자인을 제외하면 진정한 초강력 슈트에 대한 전망은 Darpa가 기계 외골격에 대한 7년간 7,500만 달러 규모의 연구 프로그램을 시작한 2000년까지 희박했습니다. 당시 미 육군 잭 오브섹(Jack Obsek) 대령을 포함한 소수의 외골격 지지자들은 이 기술이 마침내 아이디어를 따라잡았다고 믿었습니다. 1995년부터 Obsek은 외골격 연구의 발전을 도왔습니다. 그는 센서가 더 작아지고 더 다양해지고 프로세서가 더 빨라짐에 따라 그와 다른 지지자들은 기계적 외골격이 현실이 될 수 있다고 믿을 이유가 있다고 말했습니다.

그러나 Darpa의 야심찬 목표를 보는 사람은 누구나 그것이 비현실적이라고 생각합니다. 군인들이 피곤함을 느끼지 않고 며칠 동안 수백 파운드를 운반할 수 있게 하고, 일반적으로 두 사람이 다루어야 하는 무기를 군인들이 유연하게 조작할 수 있게 하고, 군인들이 부상당한 두 사람을 등에 태울 수 있게 해주는 마법의 기계를 원했습니다. 전장에서 쉽게 대피했습니다. 그들은 이 기계 슈트에 갑옷을 장착하여 적의 포격에 무력하게 만들 것을 요청했습니다. 그들은 심지어 그것이 군인들이 더 높이 점프하는 데 도움이 되기를 희망합니다. 결론적으로 그들은 만화 속 아이언맨을 원합니다.

프로젝트를 시작하기 전, DARPA와 상담한 일부 컨설턴트들은 자신들의 아이디어가 비현실적이라는 점을 즉각 지적했습니다. Darpa Ironman 프로그램 초기에 이끈 콘월 대학의 엔지니어인 Ibrahim Garcia는 "내가 요청한 사람 중 절반은 이에 대해 확신했고 나머지 절반은 시간, 돈, 자원의 낭비라고 생각했습니다"라고 말했습니다. 그는 "이것은 실제로 어려운 도전이다"라고 덧붙였다. 기계적 외골격은 며칠 동안 전기 에너지를 공급할 수 있는 작고 강력한 인공 근육도 필요하다. 제어 시스템. 또한 민첩하고 반응성이 좋아야 합니다.

외골격은 군인의 기계적인 그림자가 되어 군인의 일거수일투족을 읽고, 1000분의 1초의 망설임도 군인에게 부담을 주고 걷고 있는 것처럼 느끼게 할 수 있어야 합니다. 물 위에서. 이 기계 슈트의 센서는 몸에 가해지는 모든 작은 움직임을 초당 수천 번의 속도로 읽을 수 있어야 하며, 마이크로프로세서는 이러한 데이터를 적시에 명령으로 변환하여 기계 팔다리로 보낼 수 있을 만큼 강력해야 합니다. , 내부 착용자의 움직임에 맞춰 조정됩니다.

이러한 문제를 해결하고 속도, 민첩성, 힘, 지구력을 결합한 기계에 이 시스템을 적용하는 방법을 알아내려면 토니 스타크와 같은 천재가 필요합니다. 그런데 이 사람은 무기설계자가 아니라 기계공룡을 만드는 직업을 직업으로 삼는 사람이다. Steve Jacobson은 다채로운 이력서를 가지고 있습니다. 지난 35년 동안 그의 작품으로는 80톤에 달하는 로봇 공룡과 벨라지오 카지노의 분수 등이 있습니다. 그러나 그 자신은 과학 괴짜라기보다는 친근한 교수처럼 보인다. 그는 키가 크고, 어깨가 넓고, 등이 곧고, 회색 머리를 가지고 있습니다. XOS를 소개하기 전에 그는 나를 "공포의 터널"이라고 부르는 곳으로 데려갔습니다. 밖에서 보면 치과라고 쉽게 지나칠 수 있지만, 이 동굴 같은 방은 사실 Sakos Corporation의 본사이자 유타 대학교 공과대학의 연구 개발 부서입니다. 그는 종종 여기서 가르치곤 합니다. 제이콥슨은 까다롭기로 악명 높은 다수의 고객을 위해 로봇을 만들었지만(그는 디즈니가 미군만큼 까다롭다고 제안함) 마음속으로는 여전히 학문적입니다. 그는 자신의 마음을 함께 놀 수 있는 친구라고 부르며, 해결책의 궁극적인 적용보다는 문제 해결에 더 관심을 두는 것 같습니다. 그는 탁구를 치는 인간형 로봇을 지나치다 노래하는 기계 코뿔새 한 쌍 앞에 멈춘다. 그들은 지역 호텔을 위해 지어졌습니다. 어려운 점은 실제 새처럼 그들의 움직임을 생생하게 만드는 데 있습니다. "우리는 관심이 있기 때문에 하고 싶은 일만 맡는다"고 그는 말했다.

그는 공학부터 에너지 절약형 생물학 시스템(당근으로 움직이는 인간)까지 수다를 떨었다!) 그의 말투는 오해를 불러일으킬 수 있다. 사실 그는 비밀을 좋아하고, 언론과의 인터뷰도 거의 하지 않으며, 나이조차 밝히기를 꺼리는 남자이다. 투어 도중 무인 소형 지상 차량(신규 외골격 다리 디자인)을 가리키며 신나게 설명했다. 마지막으로 그는 기사에서 이 내용을 언급하지 말라고 말했습니다. 많은 프로젝트가 군의 자금을 지원받는다는 점이 고민이 아닐까 싶습니다. 반면에 그는 너무 많은 비밀을 밝히고 싶어하지 않는 마술사이기도 합니다.

의수족과 나노모터도 포함하는 Sachs의 연구 프로젝트는 무계획적인 만큼 다양해 보입니다. 그러나 Yfracine Garcia는 Jacobson이 외골격 문제에 도전할 이상적인 후보가 된 것은 그의 폭넓은 관심 때문이라고 말했습니다. 그는 소프트웨어와 기계공학 모두에서 자신의 능력을 입증했으며, 필요에 따라 계속해서 새로운 것을 발명할 수 있다는 점은 더욱 드물다. "그는 자신의 변속기를 설계할 수 있고, 제어 시스템을 설계할 수 있으며, 기계와 그 모든 부품을 설계할 수 있습니다." XOS를 디자인하려면 이런 만능 천재가 반드시 필요합니다.

“외골격과 같은 것을 설계할 때 다음 단계로 넘어가기 위해 완료해야 하는 하위 시스템이 25개 있는데, 두 가지 주요 설계 목표는 힘과 지구력입니다. 또한 75가지의 다양한 작업을 수행할 수 있어야 합니다.” 그가 설계한 모든 로봇 중에서 XOS는 가장 큰 과제와 가장 많은 문제를 안고 있었기 때문에 분명히 그가 가장 좋아했으며 XOS를 자신의 “아들”로 여겼습니다. "다른 어느 누구도 그렇게 야심찬 목표를 갖고 있지 않았습니다. 다른 어느 누구도 그러한 힘, 속도, 지구력 및 민첩성을 갖춘 완전하고 독립적인 시스템을 요구하지 않았습니다. 2000년에 Sakos는 Darpa에 자금 지원을 신청했습니다. Jacobson은 자신이 To를 찾았다고 생각했습니다. 그의 직감을 확인한 Jacobson은 회사 사진작가인 Jon Price에게 딸과 함께 실험을 수행하는 데 도움을 요청했습니다.

실험에는 Price가 외골격 역할을 하고 딸이 내부 조작자 역할을 하는 것이 포함되었습니다. 그녀는 아버지에게 등을 대고 균형을 잡기 위해 아버지의 발가락을 누르기 시작했습니다. 프라이스의 임무는 아버지의 발을 그녀의 발 밑에 두는 것이었습니다. 회전—Price는 그녀를 단계별로 모방하기 위해 노력했습니다.

제이콥슨은 이 시연을 통해 발과 손과 같은 몇 가지 접촉 지점만 있으면 운영자의 행동을 이해할 수 있음을 입증했습니다. XOS를 완성하는 과정에서 Jacobson과 그의 팀은 마이크로 액츄에이터, 향상된 압력 센서, 보다 효율적인 유압 밸브, 심지어 알루미늄 다리까지 재설계했습니다. 그러나 이 모든 것을 하나로 묶은 것은 디자이너들이 "길을 여는 것"이라고 부르는 제어 시스템이었습니다. Obsek이 직접 XOS를 시도한 것은 이를 "슈퍼맨 코트"의 핵심으로 끌어올린 것입니다. , 전적으로 동의합니다. “사람의 몸은 체중이 조금만 가해지면 쉽게 피로해집니다. "그러나 XOS 제어 시스템은 인체에 대한 부담을 거의 0에 가깝게 줄여줍니다.

시연 오퍼레이터 제임슨이 200파운드짜리 바벨을 50회 연속으로 들어올릴 수 있는 것이 바로 이 제어 시스템입니다. 그의 심박수가 증가하자 그의 손에 있는 센서는 외골격의 도움 없이 각 손이 100파운드를 당기려고 한다는 것을 즉시 감지했습니다. 시스템의 목표는 이러한 센서가 느끼는 압력을 0에 가깝게 만들어 XOS가 초당 수백 또는 수천 번의 속도로 작동할 수 있도록 하는 것입니다. 시스템은 측정된 데이터를 위치를 계산하는 일련의 공식에 공급합니다. 그리고 외골격의 팔, 다리, 등의 움직임, 결국 제임슨이 손을 내리고 싶어한다는 것을 인식하고 무엇을 해야할지 계산했습니다. 제임슨은 실제로 힘을 가하기 전에는 각 관절의 각 인공 근육의 움직임에 대해 조금도 부담을 느끼지 않았습니다. , 시스템은 이미 로봇 팔에 바벨을 떼어내도록 지시했습니다. XOS, 호흡의 흔적은 없었습니다." 그는 어깨를 으쓱했습니다. >

제임슨이 보여준 XOS는 버전 4에 관한 것이었습니다. 방을 방문하면, 내부에 처음 세 세트의 기계 슈트 프로토타입이 인형처럼 선반에 걸려 있었습니다. 바로 아이언맨의 "아머 홀"이 생각났습니다. 2002년에 제작된 이 슈트는 아무런 힘도 갖고 있지 않았습니다. 이 슈트를 만든 목적은 외골격이 인간의 몸처럼 움직일 수 있다는 것을 증명하는 것이었습니다. 이 일련의 실험을 통해 올바른 위치에 올바른 관절을 사용하는 것이 더 어렵다는 것을 확인했습니다. 실제로 다른 외골격 연구자는 XOS에 의존한다고 믿습니다. 익명을 요구한 엔지니어는 XOS를 직접 본 적은 없지만 유튜브 뉴스에서 본 적이 있다고 말했다. 전기 액츄에이터가 소비하는 에너지가 동작과 일치하기 때문에 더 좋다는 야콥슨은 “당신의 자동차 브레이크가 마음에 드나요? 비행기의 착륙 시스템이 제대로 작동하기를 원하시나요? 모두 유압식입니다. 그는 나중에 에너지 낭비 문제를 해결했다고 덧붙였습니다. 그러나 자세한 내용은 설명하지 않았으며 단지 Sarkos가 필요할 때만 작동하도록 액체의 흐름을 제어하는 ​​밸브를 재설계했기 때문에 기계 슈트에서는 에너지가 유일한 것입니다. 운동할 때 섭취합니다.

역도 부문에서는 인상적이었지만 XOS는 Darpa의 목표를 모두 달성하지는 못했습니다. 그것은 당신을 공중에 덩크하게 만들 수 없고, 더 빠르게 달리는 데 도움을 줄 수 없으며, 당신을 헤라클레스로 만들 수 없습니다. 그러나 Darpa의 원래 목표 중 하나는 희망 목록에 있는 항목 중 하나라도 실현될 수 있는지 확인하는 것이라고 Obsek은 말했습니다. 프로젝트에 참여한 세 팀(Sarkos, Oakridge National Laboratory 및 University of California, Berkeley) 중에서 XOS는 2005년 미 국방부의 비전에 가장 가까운 팀으로 두각을 나타냈으며 다음 단계로 진입하도록 미군의 승인을 받은 팀이 되었습니다. 전신 외골격. Saccos는 2년간의 연구비를 충당하기 위해 육군으로부터 천만 달러를 받았습니다.

제임슨은 다시 XOS를 착용하고 이완 운동을 시연했다. 150파운드짜리 슈트가 6개의 관절만 서로 닿은 채 그의 일거수일투족을 그림자처럼 흉내내는 것을 보고, 매 순간 각 센서와 중앙 프로세서 사이에 엄청난 양의 데이터가 흐르는 것을 상상했다. 영화 '아이언맨'의 특수효과보다는 덜 흥미롭다. 나는 제임슨이 지붕을 뚫고 날아가는 것을 상상하지 않을 수 없습니다. 그러나 이런 일은 일어날 수 없습니다. 동굴을 탈출하려면 먼저 XOS를 연결하는 전선을 잘라야 합니다. 외골격 연구자의 세계는 작고 비밀스럽고 내분으로 가득 차 있습니다. 상대방 장치의 작동 원리를 이해하지 못하더라도 그는 여전히 냉소적인 발언을 할 기회를 잡을 것입니다. 가장 일반적인 공격 방법은 "그가 어떻게 전력을 공급할 계획인지 묻는 것입니다." XOS와 미국 연구소의 다른 두 주요 외골격은 이 문제를 다른 각도에서 공격하려고 합니다. Jacobson은 먼저 합리적으로 성능이 뛰어난 슈트를 제작한 다음 4~24시간(Darpa의 최소 전력 요구 사항) 동안 전력을 공급하는 방법을 알아내기로 결정했습니다. 내가 본 모든 데모에서 Jameson과 XOS는 외부 전원에서 전력을 끌어오는 유압 펌프에 연결되어 있습니다. 이 슈트는 배터리로 작동하지만 한 번에 40분 동안만 작동합니다. 다른 외골격 연구자 두 명(매사추세츠 공과대학의 휴 헐(Hugh Hull) 교수와 버클리 캘리포니아 대학의 하마 용 카즈루니(Hama Yong Kazrouni) 교수)이 전력 문제를 다루기 시작했습니다.

Hear는 가능한 한 적은 에너지를 사용하여 시작하는 데 휴대용 라디오에 해당하는 2와트만 필요하지만 착용자가 필요로 하는 모든 것을 지원할 수 있는 발로 움직이는 기계를 만들려고 노력하고 있습니다. 무게는 80파운드의 %입니다. 디자인이 착용자의 보행에 영향을 주기 때문에 착용하지 않았을 때보다 착용한 후에 약간 더 많은 에너지를 소비합니다. 그러나 Hull은 가까운 미래에 기계 구조를 개선하여 기계가 결국 착용자의 체력을 소모하기보다는 절약하는 데 도움을 줄 수 있을 것이라고 믿습니다. 궁극적으로 그는 사람들이 이 장치를 착용하고 주말에 산을 오르고 피곤함을 느끼지 않고 하루 종일 달리는 등 엔터테인먼트에 장치가 사용되는 것을 상상합니다. Hull의 비전이 아직 멀다면 Kazrouni는 동적 문제 해결 측면에서 이미 절반에 도달했다고 암시했습니다.

카즈루니는 그의 '인간 부하 운반체'(HULC) 하지 외골격이 20시간 동안 지속적으로 작동할 수 있다고 말했습니다. 착용자는 100파운드를 운반할 수 있지만 산소 소비량은 15% 적습니다.

카츠루니의 장치는 아직 대중에게 시연될 수 없습니다. 그는 시스템이 하이브리드 자동차와 유사하게 작동한다는 점만 밝혔습니다. 하이브리드는 제동으로 생성된 에너지를 배터리 충전으로 전환합니다. HULC는 보행기가 발을 바꿀 때 지면에서 반환되는 에너지를 사용합니다. 걷는 행위 자체만으로도 운동 에너지의 꾸준한 흐름을 생성하기에 충분합니다. 그는 시스템 개선을 위해 미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)로부터 200만 달러의 보조금을 받았습니다. 궁극적으로 HULC는 이동 장애가 있는 사람들이 다시 걸을 수 있도록 도울 것입니다. 그는 “이것은 전쟁 기계가 아니다”라며 “우리 기계는 휠체어를 대체할 수도 있다”고 말했다.

XOS의 가장 강력한 경쟁자도 의료기기이지만 그것은 태평양 반대편에 위치해 있다. 일본. 2004년 일본의 로봇공학자 야마미 요시유키는 XOS-5를 사용하지 않는 전신 기계식 외골격을 판매하기 위해 사이버다인(영화 '터미네이터'에서 로봇 혁명을 이끈 회사와 같은 이름)이라는 회사를 설립했습니다. 스타일 압력 감지 대신 센서를 착용자의 신체에 부착하여 근육 신호를 수신하여 착용자의 행동 의도를 판단합니다. 이 기계식 코트의 제어 시스템은 착용자의 자연스러운 자세를 학습하고 모방할 수 있습니다. 이는 두 사람이 조화를 이루는 데 최소 30분이 소요된다는 의미입니다. 착용하자마자 자유롭게 움직일 수는 없습니다. 그러나 HAL-5의 주요 용도는 재활 보조기 및 간호조무사이므로 30분의 훈련 시간은 문제가 되지 않습니다. 배터리로 작동되는 이 근력복을 착용하면 간호사는 어린아이처럼 쉽게 뚱뚱한 환자를 안아올 수 있습니다. Shanhai Jiazhi는 HAL-5를 고객에게 임대하기 시작했습니다. "아이언맨" 만화에서 슈퍼 히어로는 쓰러져 적의 은신처 바닥에 누워 있습니다. 그의 헬멧에 있는 모니터는 그에게 나쁜 소식을 전합니다. 그는 전력이 부족하다는 것입니다. 하지만 아직 희망은 있습니다. 그는 콘크리트 바닥에 손가락을 파서 전선을 찾아 재빨리 충전했습니다.

안타깝게도 현실 세계에서는 외골격을 충전하는 것이 훨씬 더 번거롭습니다. 따라서 전장의 첫 번째 XOS는 케이블로 연결될 수도 있습니다. Obsek은 이 원본 버전이 전사라기보다는 공병일 가능성이 더 높다고 상상합니다. XOS는 군함이나 차량의 전원에 연결되어 군인이 중무기를 운반하는 헬리콥터를 신속하게 하역하거나 선로가 파손된 탱크를 수리하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 육군은 2009년까지 전장에서 XOS의 유선 버전을 갖기를 희망하고 있지만 Jacobson과 그의 동료들은 여전히 ​​전력 버전을 개발하고 있습니다.

올 여름 사코스는 엔진 설계 회사와 협력해 XOS에 몇 시간 동안 동력을 공급할 수 있는 엔진을 개발할 예정이다. 또한 Jacobson은 더 많은 정보를 공개하는 것을 거부했습니다. 그는 오히려 더 흥미로운 도전에 대해 이야기하고 싶습니다. 강력한 엔진을 구축하기보다는 XOS의 에너지 식욕을 줄이는 것입니다.

Jacobson은 인간의 다리로 구동되도록 설계된 새로운 에너지 절약형 로봇 다리를 보여주었습니다. 걸을 때 우리의 엉덩이는 가장 많은 양의 에너지를 생성하며, 다리가 앞으로 나아갈 때 무릎과 그 부위의 작은 근육이 완전히 이완되어 발이 이상적인 위치로 땅에 착지하게 됩니다. 이 프리 스윙 기술은 에너지 효율적입니다. Kazrouni와 Herr는 이미 이를 각자의 하지 외골격에 설계했습니다. Jacobson은 이를 XOS의 향후 버전으로 설계하고 있습니다. "다음 단계는 아마도 몇 년 안에 1~3마력으로 걷는 것이 될 것입니다." 휴대용 배터리 팩은 지속적인 전력을 제공할 수 있습니다.

Jacobson은 현재 버전을 병원에서든 전장에서든 다양한 작업을 수행하기 위해 결국 다양한 버전으로 변형될 기본 모델로 보고 있습니다. 미래의 모델은 완전히 자율적일 수도 있습니다. "나가서 '내가 너무 게을러서 걷기 힘들기 때문에 저 건물까지는 직접 걸어가셔도 됩니다.'라고 말하세요."

나중에 사코스 로비를 지나갈 때 영화 한 편을 봤습니다. 만화에는 미래의 XOS가 그려져 있습니다. 한 영상에는 XOS를 착용한 군인들이 어깨에 미사일을 메고 높은 벽 위로 날아다니고 심지어 공중제비를 하는 모습도 담겨 있습니다. 로봇 뼈대에 둘러싸여 있음에도 불구하고 이들은 럭비 측면 공격수만큼 민첩한 것처럼 보입니다. 그들은 철인처럼 보입니다.