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viernes, 3 de setiembre de 2010

Soldado del Futuro: Exoesqueleto (parte 1)

Exoesqueleto 
Parte 1

Programa EHPA 

El programa de la DARPA llamado Exoskeleton for Human Performance Augmentation (EHPA) tiene el objetivo de mejorar la capacidad de carga, movilidad y autonomía del soldado desmontado en una gran gama de misiones. 

El exoesqueleto será un traje mecánico especial que multiplica las habilidades humanas con uso de prótesis adicionados al brazo, torso y piernas como una armadura. 

En términos simples, el exoesqueleto puede ser descrito como un conjunto de sensores y actuadores para detectar las órdenes que el cerebro del soldado brinda a sus músculos, y ampliar las respuestas de los músculos por medios de acciones mecánicas. 

El programa EHPA fue lanzado en 2000. En 2001 fueron recibidas seis propuestas para desarrollar el EHPA. En 2003 la Universidad de Berkeley y los zancos fueron seleccionados. 

Basado en los planes actuales, el EHPA debe tener tres fases: 

- Fase 1 (febrero de 2003) desarrollará y ensayará tecnologías viables, incluyendo el sistema de energía, actuadores piezo-hidráulicos, interface y confort, y controles de actuadores. 

- Fase 2 (2004) cubrirá el proyecto, desarrollo y demostración del exoesqueleto para mejorar la movilidad de las piernas. 

- Fase 3 (2015) irá proyectar, desarrollar y demostrar un exoesqueleto con módulos superior y inferior completos. 

Las fases posteriores son inciertas pues los militares americanos no están todavía confiados en el concepto de exoesqueleto. 

Estudios preliminares y juegos de guerra fueron realizados con varias estructuras de desarrollo, incluyendo dos exoesqueletos por pelotón, un grupo de combate de exoesqueleto por pelotón, y una fuerza de asalto completa de exoesqueletos. 

Aplicaciones típicas pueden incluir tareas como "limpiar" predios, superar obstáculos, atacar posiciones fortificadas, movilidad en terreno irregular, y así por delante. A futuro, los dos módulos iniciales debe ser suplementados por movimiento vertical capaz de realizar saltos largos/altos para ultrapasar posiciones enemigas y "volar" sobre obstáculos. Dar dos HPs a más de fuerza puede ser suficiente. 

La DARPA se juntó al MIT para crear el ISN - Institute for Soldier Nanotechnologies - para estudiar nanotecnologías para investigaciones militares. La DARPA contribuye con US$50 millones para investigaciones por cinco años y otros órganos y instituciones con más US$40 millones. 

La ISN se enfoca en seis capacidades claves: detección de amenaza, neutralización de amenazas (como blindaje), ocultación, mejoramiento del desempeño, tratamiento médico en tiempo real, y disminución de la cadena logística. 

También trabaja en siete áreas de investigación: absorción de energía material, material mecánicamente activo para el exoesqueleto, gerenciamiento y detección de firma, biomateriales y medios de tecnología médica, procesos de fabricación, modelado y simulación, y integración de sistemas. 

En el área de tejidos la nanotecnología será usada para desarrollar ropas con tecnología de invisibilidad y ropas que se tornan rígidas para tratar heridos como piernas quebradas. El objetivo es crear una ropa de combate con capacidad adicionales para el soldado como protección balística, biológica, aumento fuerza y resistencia y con comunicaciones avanzados. 

El objetivo actual es equipar el soldado con un exoesqueleto capaz de tornarlo 3-10 veces más fuerte, llevar arma de 50kg y vestir 20kg de blindaje. También podrá saltar 7 metros con zapatos que almacenan energía. 

 
Con el exoesqueleto será posible aumentar la capacidad de carga, prolongar la autonomía, aumentar la velocidad, aumentar la fuerza humana y sobrepasar obstáculos (en distancia y altura). El Pentágono quiere un super soldado capaz de levantar 100kg con misma facilidad de 10kg, correr dos veces más rápido y por distancia mayor. 
 
Concepto del Soldier 2025. El exoesqueleto está siendo proyectado con la premisa que combate del futuro será urbano. Como las tropas son menos capaces de usar blindados en ciudades, los planeadores militares pretenden mejorar la armadura, armas, y electrónicos del soldado desmontado. Sin ayuda de un exoesqueleto la carga no podrá ser grande. El más importante en el exoesqueleto puede ser disminuir las bajas por la protección de la armadura, que pesa 20kg. La blindaje actual lleva dos placas, frontal y trasera. La futura protegerá otros locales y será más capaces. La supervivencia es el que preocupa los soldados cuando están en combate. 

 
Las investigaciones de exoesqueleto incluyen ropas que tornarían el soldado invisible con el uso de nanotecnología. 

Investigaciones 

Las investigaciones relacionadas con el exoesqueleto pueden ser dividido en cinco elementos básicos: estructura, fuerza, control, desempeño en el terreno y biomecánica. 

Los desafíos del proyecto del exoesqueleto son grandes: materiales, actuadores, sensores, más calor, ruido y peso de cada componente. El peor problema es la fuente de energía, no sólo para exoesqueleto, pero también para suportar los sistema de comunicaciones y los sensores. 

Para ser utilizable, el sistema de exoesqueleto debe tener una interface con el usuario bien directa para que actúen como un sistema único. Esto debe ocurrir cualitativa y cuantitativamente de forma bien diferente a comparación de las que el hombre viene trabajando con las interfaces hombre-máquina actuales. Podrá hasta ser necesario reproducir algún tipo de conexión neuromuscular usando mioseñales como comando primario. La biomecánica debe resolver que se mueva como soldado común. 

Algunos teóricos piensan en sistemas invasivos con implantes en los músculos y nervios. Otros piensan el contrario con un exoesqueleto que cuida del usuario estuviese herido. 

Para construir sistema donde un robot imita cada movimiento es preciso crear un sistema muy complexo. después de detectar el movimiento y medir la velocidad y fuerza, el robot debe traducir la lectura en movimientos paralelos y sincronizados por algunos de los componentes. Al mismo tiempo otras componentes deben ajustar-se para mantener el equilibrio. 

Esto ya es feito actualmente con manos robóticas capaces de llevar cargas pesadas con precisión. Generalmente usadas con manipulación de material radioactivo. 

La gravedad, fricción, efectos térmicos, errores del sensores y otros influencias son otras factores a ser considerados. El mecanismo precisa de un software poderosos que ya están siendo creados. 

Fallas pueden causar desconfort y fatiga. Apenas 2kg de peso mal colocado en un brazo por 10 minutos puede dejar una persona extremamente fatigada. Errores grandes pueden ser peligrosos. Los robots industriales hasta matan personas próximas. El exoesqueleto pueden hasta correr el riesgo de abrazar el usuario si algo está errado. 

Los sistemas biológicos también están siendo estudiados. Los músculos humanos son los mejor medios para producir fuerza con poco gasto de energía. Para tener una idea, si todos los músculos humanos fueran colocados juntos pueden sustentar 20 toneladas. Aún así, los humanos no soportan cargas por mucho tiempo. Algunos kilos pueden agotar una persona en minutos. 

Para tener utilidad militar el exoesqueleto también no puede producir ruido y los músculos se encajan en este requisito. 

Más allá de la interface hombre-máquina, otro requerimiento clave del exoesqueleto es la generación y distribución de energía. La energía necesaria para la parte inferior del exoesqueleto es estimada entre 200-1000W (un ciclista profesional gasta en media 350W). Esto viene llevando al estudio de conceptos sofisticados y exóticos con el CHAPS Chemo-Hydraulic Actuated Power System ( un motor linear de pistón libre acoplado a un almacenador hidráulico y medios de transmisión ), combustible de hidrógeno, combustores catalíticos termo-químicos, super capacitadores de células de energía híbridas PEM, actuadores hidráulicos piezo-eléctricos, y otros. deberá ser necesario producir una batería para que el exoesqueleto funcione 24 horas y sin producir ruído. 

LEE 

El LEE es el acrónimo de “Lower Extremity Enhancer” que está siendo conducido en la University of California. El sistema siendo ensayado debe consistir inicialmente de un módulo inferior y otro superior, y será básicamente un asistente de locomoción (como correr 35 km/h aceleradamente ) y funciones de carga para aumentar el alcance de actividades que el soldado puede desempeñar con las limitaciones del ambiente operacional. 

El LEE usa un motor a gasolina relativamente pesado. Con 1 litro tiene autonomía de 15 minutos. Sin una cadera para sentar luego de perder la fuerza el usuario cae en el suelo con el peso del sistema. El sistema es inconfortable y brinda limitación a persona como ropa ó zapato apretado. Está siendo usado para verificar la teoría de control. 

 
El LEE fue desarrollado en la University of California. Inició los ensayos en 2003 y el sistema completo con parte superior debe ser ensayado a partir de 2005. El prototipo ya llega a 16km/h mientras un hombre camina en la velocidad de 6,4 a 9,6 km/h. El sistema completo planeado será capaz de llevar 180kg y funcionar por 4h-24h. El soldado actual marcha a 2-4km/h llevando 50kg. con un exoesqueleto ele irá ser mover hasta tres veces más rápido, llevando por el menos el doble de la carga como se estuviese llevando 5-10kg. El precio esperado es semejante a una motocicleta. Con esto el soldado llevará los mismos 20kg de los soldados romanos. 

La locomoción es enfatizada por el EHPA pues 3% del mundo puede ser accedido por vehículo, pero 85% puede ser accedido por un par de piernas. 

Los exoesqueletos del futuro también puede tener otras formas como un minotauro destacable que evoca otro par de piernas llevando carga en el medio. También podrá tener versiones especializadas con varios tamaños. 

Pode ser fácil de entender que más allá del uso militar del exoequeleto debe tener varias importantes aplicaciones civiles. Un exoesqueleto puede ser usado en la construcción civil y en misiones de rescate. También ayudara parapléjicos a andar. 

El LEE ahora es llamado Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). El BLEEX debe combinar un músculo robótico con control humano. deberá ser un sistema ergonómico, maniobrable y robusto para andar, inclinar, nadar y saltar sin reducir la agilidad. 

El BLEEX consiste de una pierna mecánica conectada al pié para evitar abrasión. incluye unidad de fuerza en las costillas. Sirve para atravesar grandes distancias con grandes cargas. Puede ser usado por médicos para llevar heridos ó rescate. El modelo actual pesa poco más de 30kg. 

Un par de contornos modificado fue adjuntado en el exoesqueleto. son más de 40 sensores y actuadores hidráulicos ligado por LAN que funciona con músculos y nervios. El BLEEX responde a lo que el cuerpo hace y se ajusta de acuerdo. El próximo paso será el transporte de una carga de 50kg. 

El modelo de la zancos usa un sensor en el es que responde la fuerza con contrafuerza para contrabalancear y no para anular. El sistema apenas siente la fuerza y no piensa como operar el sistema. Mientras el BLEEX es capaz de llevar 40kg, el sistema de la zancos lleva más de 50kg. 

  
Bleex actual y mock-up de un modelo operacional. 
 
Un proyecto independiente de amplificación del cuerpo es el Spring Walker que ya fue ensayado a velocidad de 16km/h. 

Sistema de Armas

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