Здесь есть две проблемы. Один из них — защитить свое тело от физического раздавливания ударом гиганта, который бьет вашу несчастную душу. Для этого вам нужна броня, и она не будет легкой. Твердый, несжимаемый экзоскелет предотвратит сжатие носителя. Это будет похоже на обвязку, хотя, если вас не волнуют колотые или пулевые ранения, клетка тоже подойдет.

Другой проблемой является внезапное ускорение, когда вас толкает удар, или замедление (которое является ускорением с другой точки зрения), когда вы ударяетесь о что-то твердое на большой скорости. Чтобы узнать, как защитить себя от этих сил, достаточно взглянуть на пилотов реактивных самолетов, которые регулярно испытывают эти силы, совершая крутые повороты на самолете, летящем со скоростью звука.

Одна вещь, которую они делают, — это положение своего тела так, чтобы ускорение исходило из направления, с которым тело может лучше всего справиться. Если вы ускоряетесь вверх, кровь покидает ваш мозг, и вы теряете сознание. Лучшее направление — вперед, прижимая вас к сиденью. Таким образом, в бою вы можете позаботиться о том, чтобы отвернуться от того, что вас ударит, хотя это проблематично, потому что вместо этого вы можете потратить это время на движение, чтобы уклониться от удара.

Других вариантов не так много; тело просто не предназначено для таких ударов. Самая экзотическая идея в обращении - жидкостное дыхание . Видите ли, тело в основном состоит из воды, которую очень трудно сжать. Когда вы идете шлепком, это пустые карманы в вашем теле, в основном ваши легкие, которые разрушаются и уступают место любому органу, который не должен там находиться. Прощай грудная клетка. Но если бы вы наполнили свои легкие какой-нибудь жидкостью, которая может переносить кислород так же хорошо, как и воздух, то она больше не могла бы так легко сжиматься, а это означает, что вы могли бы выдерживать большее ускорение. Вот почему эта идея изучается для пилотов реактивных самолетов; если вы можете совершать более узкие маневры, не рискуя своей жизнью, у вас есть стратегическое преимущество. Аналогичные опасения есть и у космонавтов.

До сих пор только крысы дышали жидкостью и жили; это теоретически и страшно. Но это не невозможно, и суперсолдат ближайшего будущего может захотеть использовать его, если он думает, что ему предстоит сразиться с гигантами.

Как бы мы разработали костюм для военной научной фантастики, который включает в себя экзоскелет, повышающий силу, а также способ защитить владельца от каких-то приличных ударов, таких как падение с 15-20 футов, подбрасывание на 20 футов по воздуху, может быть, столкновение с автомобилем на любой скорости несколько соизмеримо с этими силами?

Когда вы думаете об экзоскелете, на самом деле вы проектируете транспортное средство .

Мы, безусловно, можем спроектировать транспортные средства так, чтобы они выдерживали для нас ударные повреждения — это то, что делают зоны деформации. Можно разработать «костюм», обеспечивающий защиту в этом смысле. Это требует, чтобы «костюм» был гибким с точки зрения структуры, предназначенной для деформации при ударе. Это деформация зон деформации, которая поглощает энергию и снижает силы торможения, воздействующие на пассажира.

Для такого костюма-скелета потребуется ядро, которое не деформируется , и внешняя часть, которая деформируется, чтобы поглотить энергию удара. Это позволяет ядру замедляться относительно медленно, пока оно остается неизменным.

Обратите внимание, что энергия удара зависит от квадрата скорости. Удвойте скорость, и вы в четыре раза увеличите энергию, необходимую для поглощения.

Другой способ взглянуть на это состоит в том, что сила удара зависит от обратного квадрата времени остановки. Чем медленнее удар (для каркаса безопасности ядра), тем лучше. Назначение внешней «поглощающей клетки» состоит в том, чтобы деформировать и замедлить воздействие на клетку безопасности.

Попадание под машину не обязательно смертельно. Когда вы видите ограничение скорости в городской местности, установленное, например, на 30 км/ч, это было выбрано потому, что ниже этой скорости выживание значительно более вероятно, чем выше этой скорости.

Быть брошенным на 20 футов - не проблема. Это именно то, как вы были движимы в первую очередь (это может включать само по себе опасные силы) и именно то, как вы приземляетесь. Если я брошу тебя за голову, у тебя в любом случае будут проблемы, так как я могу сломать тебе шею. Если вы приземлитесь и ударитесь головой об землю (в шлеме или без него), вы можете получить сотрясение мозга или что-то похуже.

Вы хотите, чтобы пассажир транспортного средства имел опору для шеи и позвоночника, чтобы уменьшить опасность повреждения шеи и позвоночника. Посмотрите на гонщиков Формулы-1, и вы увидите, что у них на шее и на плечах есть повязка, которая выполняет эту функцию. В автомобилях так называемый подголовник на самом деле предназначен для поддержки вашей головы и шеи при столкновении и предотвращения их резкого отбрасывания назад.

Точно так же цель ремней безопасности (например, ремней безопасности) состоит в том, чтобы уменьшить движение и предотвратить вас от удара о предметы (включая других людей, если вы находитесь на заднем сиденье!). Подушки безопасности и другие системы безопасности предназначены для уменьшения последствий удара (как первоначального удара, так и эффекта «отскока»).

Скорее всего, вы бы отделили функции прочности от функций безопасности. Опять же, в ваших интересах, чтобы пассажир был защищен от внезапного приложения сил силовой частью устройства (поскольку на всякую силу есть равное и противоположное противодействие), поэтому вы не хотите, чтобы «силовая» часть предотвращала часть "безопасности" от выполнения своей работы.

Возможно, вы сможете использовать сложные датчики для обнаружения проблем с ускорением или замедлением на каркасе безопасности и активировать режим «деформации» костюма, отключив системы, которые делают силовую часть жесткой. Пассажир может выдерживать относительно высокие нагрузки в течение очень и очень короткого времени, так что это не должно существенно скомпрометировать безопасность — эй, это военные — некоторый риск приемлем для определенных сценариев.

Так что теоретически сделать такой экзоскелет возможно.

Размышляя о полном костюме, я бы начал с объединения способности зоны деформации во внешней обшивке с мгновенной амортизацией ударов во внутренней обшивке.

Концепция

Я уверен, что мы все знакомы с этой игрушкой:

При сдавливании мягкие кусочки «вытекают» из сетки. Теперь рассмотрим эту игрушку как метафору построения нашего экзо.

Строительство

Во-первых, внешние (и перекрывающиеся) пластины будут чрезвычайно жесткими, так что удары будут распространяться на более широкую область. Это будут пластины в стиле мандалорских доспехов, но их гораздо больше. Они должны были быть не гладкими, а скорее узловатыми, с большим количеством изгибов, чтобы облегчить отклонение снарядов.

За пластинами должна быть прочная, но гибкая непрерывная взаимосвязанная сетка, возможно, что-то вроде этого: не отдельными частями, как на картинке, а скорее непрерывной по всему костюму. Достаточно гибкий, чтобы позволить движение конечностей, но достаточно прочный, чтобы сохранять свою форму при сжатии. Примечательно, что сетка толще и прочнее снаружи, становится тоньше и гибче по мере приближения к коже (или, возможно, наоборот — несколько краш-тестов помогут определить, какой именно). Я предполагаю использовать сетку, напечатанную на 3D-принтере, для этой цели: тогда можно будет не только сделать костюм точно подходящим для пользователя, но и сделать возможным соединение, которое было бы невозможно создать при обычном производстве.

Сетчатый слой имеет мембранные покрытия как внутри, так и снаружи. Немного похоже на гидрокостюм, только значительно более устойчивый к разрыву, чем неопрен, с внешней мембраной, намного более прочной, чем внутренняя. Блокирующая сетка приклеивается к мембране (как внутренней, так и внешней). Важно отметить, что внутренняя мембрана должна плотно прилегать к коже по всему телу. Не должно быть пробелов. Это не должно быть трудным, так как костюм будет идеально сидеть на владельце.

Между мембранами находится «мягкий» слой. Это густая вязкая жидкость, окружающая сетку и занимающая все пространство между внутренней и внешней мембранами.

Как это работает

Когда происходит удар, броня служит для распределения его по более широкой площади, тем самым уменьшая фактическую PSI силы, действующей на тело.

Но по мере того, как армирующая пластина прижимается к внешней мембране, сетка изгибается и изгибается при ударе, распространяя усилие еще дальше (из-за его взаимосвязанного характера) и передавая его жидкости.

Жидкость (которая несжимаема) возмущает внутреннюю мембрану лишь незначительно и, в свою очередь, на еще большей площади, гарантируя, что фактическое воздействие, достигающее тела, составляет небольшую часть силы, с которой оно началось. Например, «удар Супермена» в грудь может ощущаться как повышенное давление на всю переднюю часть туловища... но этого недостаточно, чтобы нанести какой-либо значительный внутренний ущерб.

Дополнительные возможности

Сетка может состоять из нанополюсов, которые генерируют крошечное количество электричества при сжатии полюсов. И жидкость может быть электрически чувствительной, становясь гуще в местах, где подается ток. В результате жидкость автоматически и мгновенно загустевает в местах, где опоры сжимаются из-за удара.

Звездный десант (Хайнлайн). Силовая броня содержит ракеты в ногах, чтобы смягчить падение. Добавьте множество тех, которые могут поворачиваться лицом к вашему направлению движения, а затем стрелять в нужный момент, чтобы безопасно вас остановить. Дело сделано.

Падение с коротких дистанций можно обнаружить по невесомости, а экзоскелет может успеть быстро растянуть некоторые телескопические амортизаторы, готовясь к приземлению - чувство кишок, падение на 5-7 м не потребует чрезмерных расстояний, чтобы привести максимальное ускорение при приземлении в выживаемом диапазоне, ведь скорость падения с высоты 7 м (23 фута) составляет 11,71 м/с или всего 42,17 км/ч.

Защита от удара автомобилем - большая поверхность удара - может быть возможна за счет набора "датчики окружающего осознания" + "защитный ИИ", встроенный в экзоскелет, для развертывания тех же амортизаторов и перехвата удара. Однако было бы труднее перехватить попадание - той же энергии - бейсбольной биты или наконечника копья / пули.

Некоторые расчеты на обратной стороне салфетки: замедление с 12 м/с до полной остановки без превышения предела живучести в 8 г требует времени торможения 153 мс, достижимого на расстоянии 0,92 м торможения. Таким образом, использование амортизаторов около 1,2 м должно подойти.

Полная энергия 120 кг (80 кг человека, 40 кг экзоскелета) при падении с высоты 7 м составляет 8232 Дж. Не очень впечатляет рассеивание даже для сегодняшней механики. Может возникнуть проблема с остановкой какого-либо снаряда на таком уровне энергии, это почти эквивалентно выстрелу двумя выстрелами из дробовика 12-го калибра в упор .

Что еще?? Ах, трение, необходимое для удержания земли, пока амортизатор рассеивает удар, равный 8232 Дж... Итак, если предположить, что амортизатор постоянного трения рассеивает 8232 Дж на 0,9 м, это означает силу трения 9146 Н = 932 кгс.
Стоя на ровной поверхности, если экзоскелет не позаботится о том, чтобы удержать вас на месте (я не знаю, развернет опору на противоположной стороне удара или запустит там ракету), вы взлетите, потому что нет никакой возможности трение между вами и землей может быть близко к 1 тонне-f. И если экзоскелет компенсирует только то, что удерживает вас на месте, он должен быть крепким, сокрушительная сила в 1 тонну — это не то, на что можно чихнуть.

Смотрите также:

• G-сила по горизонтали

Ранние эксперименты показали, что нетренированные люди могут выдерживать диапазон ускорений в зависимости от времени воздействия. Это варьировалось от 20 г ₀ в течение менее 10 секунд до 10 г ₀ в течение 1 минуты и 6 г ₀ в течение 10 минут для обоих глазных яблок внутрь и наружу.

• человеческая терпимость к рывку (и щелчку?)

Костюмы с подушкой безопасности

Возможно, вам будет интересно узнать, что такая штука уже разрабатывается различными компаниями для мотоциклистов. Конечно, это одноразовая вещь, но она защищает от ударов и бросков по воздуху.

В вашем случае экзокостюму, вероятно, потребуются какие-то датчики для обнаружения удара, чтобы подушки безопасности сработали вовремя. Вот пример и ссылка ниже.

https://www.bikebandit.com/blog/dainese-d-air-motorcycle-airbag-technology-next-wave-in-safety

Ваш костюм упреждает удары и реагирует на них за вас

Покройте костюм датчиками и двигателями. Когда он видит удар, исходящий с определенного направления, он начинает ускорять вас в том же направлении. Когда столкновение закончилось, он начинает замедлять вас, чтобы избежать «приземления».

Это удовлетворит ваше желание сделать его способным противостоять некоторым ударам гиганта, пока ваши датчики/двигатели не будут слишком повреждены, или вы не попадете в ловушку между ударом гиганта и, например, землей.

Но пока вы не позволяете двигателям достаточной мощности заставить вас летать, они не смогут в достаточной степени смягчить падение с небоскреба.

Это также имело бы всевозможные захватывающие побочные эффекты в бою — например, использование этого механизма в противнике, чтобы заставить владельца костюма, например, оказаться под падающим зданием, и попытаться найти атаки / углы, которые костюмы не могут обнаружить, проникая сквозь пространство. броню, или зажав их с достаточной силой, чтобы сломать ее...

Вы также можете добавить компьютерные системы, которые сделают костюм достаточно умным, чтобы попытаться увернуться — например, приближается гигантский кулак, костюм может уменьшить удар, ускоряясь от него, или костюм может оттолкнуться в сторону и избежать его.

редактировать: этот ответ может потребовать более высокого технического уровня, чем тот, который у нас есть, но также нужен жизнеспособный экзоскелет любого типа.

Вы знаете, что они говорят: handwavium одного человека - наука и техника другого человека.

В любом случае, давайте повеселимся! Вот что я бы предложил:

Каждая «пластина» нашего экзоскелета может использовать комбинацию технологий MEMS (микроэлектромеханическая система) для преобразования кинетической энергии события ускорения/замедления в различные формы энергии (которую мы можем использовать или шунтировать в другом месте).

Наша комбинация МЭМС может состоять из следующего (от большего к меньшему):

1. Каждая объемная «пластина» на самом деле представляет собой серию пластин с тщательно размещенными электромагнитами на каждой пластине. Электромагниты на каждой пластине могут генерировать такое поле, что отдельные пластины отталкиваются/притягиваются. Таким образом, пластины могут действовать как своего рода магнитная пружина с динамическим приводом.

2. Неньютоновская армированная жидкостью пьезоэлектрическая сминаемая сетка и термоэлектрический регенератор (между рядом пластин): он будет работать во многом как блок вязкостной муфты ( https://en.wikipedia.org/wiki/Viscous_coupling_unit ), но с добавление пьезоэлектрических ячеек, которые преобразуют механические силы сгущенной жидкости в электричество. Термоэлектрические элементы поглощают выделяющееся в процессе тепло и преобразуют его в электрический ток; а также охлаждение устройства.

3. Вихревая трубка + система пироэлектрического кристалла: наряду с жидкой жидкостью между пластинами также могут быть газообразные жидкости. Когда определенные пластины сжимаются, газы могут направляться в вихревую трубку ( https://en.wikipedia.org/wiki/Vortex_tube ). Полученное тепло может быть использовано для быстрой зарядки пироэлектрических кристаллов, которые создают большое напряжение (т.е. 600 В) при термическом воздействии.

Комбинированное напряжение и заряд, создаваемые 2-й и 3-й ступенями, приводят в действие пружину пластин в первой ступени. Костюм сконструирован таким образом, что большая часть импульса передается каркасу костюма. Связанная с этим кинетическая энергия поглощается пластинами костюма. Все процессы, описанные выше, являются физическими процессами, поэтому щиты можно регенерировать (без добавления дополнительной массы).

Стоит отметить, что эта комбинация технологий может быть реализована как устройство пироэлектрического синтеза ( https://en.wikipedia.org/wiki/Pyroelectric_fusion ). По сути, газ между пластинами будет служить термоядерным топливом. Пластины (или их часть) будут сделаны из графита, так что нейтроны, образующиеся в реакции, будут поглощаться этим графитом и выделять тепло (эффект Вигнера). Нагретый графит может дополнительно управлять пироэлектрическими кристаллами или термоэлектрическим модулем.

Таким образом, пластины будут служить как источником энергии, так и щитом. Поскольку мощность, как правило, является самым большим практическим барьером для таких костюмов, многоцелевая функциональность может быть очень кстати.

Заимствуйте у Smart Wheels Нила Стивенсона в Snow Crash. https://en.wikipedia.org/wiki/Snow_Crash#Умные колеса

Покройте костюм датчиками и обшивкой, поддерживаемой телескопическими руками. Когда костюм ощущает приближающийся объект (например, гигантский кулак), пластины могут выдвинуться и перехватить объект и начать поглощать его силу раньше, чем обычно; так же, как подушка безопасности или зона деформации автомобиля распределяют силу удара во времени.

Если пользователь обнаружит, что падает с высоты, костюм может делать то же самое, вытягиваясь и распределяя воздействие пользователя на землю с течением времени, как пенопластовый коврик или подушка безопасности, когда люди падают во время каскадерской работы.

Пилоты скафандра заключены в ускорительную капсулу, которая управляет экзокостюмом через нейроинтерфейс. Яйцевидная капсула содержит аэрогелевую подушку, которая накачивается насыщенной кислородом жидкостью до тех пор, пока ее плотность не станет такой же, как у пилота. Насыщенная кислородом жидкость также закачивается в легкие пилота, заменяя воздух. Это позволяет капсуле смягчить воздействие волн давления за счет минимизации количества волн давления, отражаемых при переходе из среды с более высокой / более низкой плотностью, и смягчить эффекты высокого ускорения за счет снижения способности легких к сжатию. Подушка из аэрогеля также служит для распределения ударов по всей площади поверхности пилота, уменьшая локальное пиковое сжатие.

Капсула подвешена на активном регулируемом ударном ремне, который привязан к каркасу экзокостюма. Привязь имеет точки стяжки, управляемые компьютером, что позволяет регулировать капсулу и натяжение стяжек, чтобы снизить интенсивность удара за счет увеличения продолжительности удара. Например, вытягивание капсулы как можно дальше в полости привязи от предполагаемой точки удара и снижение натяжения стяжек, позволяющее капсуле замедлить скорость по всей длине полости привязи, скажем, за секунду, а не сразу за миллисекунду. .

Капсула также служит катапультируемым сиденьем/спасательной капсулой в чрезвычайных ситуациях.

Настоящим недостатком системы пилотных капсул является то, что экзокостюм, использующий систему капсул, управляемых нейронным интерфейсом, заменит, а не улучшит силу пилота, и, конечно, значительно дороже, чем просто привязывание пилота к костюму экзоскелета, повышающему силу. Преимущество, однако, в том, что ваши пилоты и их скафандры прослужат намного дольше, если непосредственный взрыв, который даже не может пробить броню скафандра, может вырубить вашего пилота.

Броня орагами

Без шуток.

Орагами можно использовать для поглощения силы, а с подходящим метаматериалом и правильной структурой масштаб и плотность будут полезны для минимизации ударных нагрузок на владельца.

Использованная литература:

Баллистический барьер Орагами

Патент ВВС США Дарпа

Орагами / нанотехнологии на основе ДНК

3D-печать динамических метаматериалов орагами

Решетки Nano-Oragami, напечатанные на 3D-принтере

Метаматериал орагами

Я собираюсь повеселиться с этим.

Я думаю, вам нужен компактный, портативный, высокопроизводительный преобразователь кинетической энергии и проектор. Любой снаряд, запущенный в носителя, несет огромное количество кинетической энергии. При контакте с броней, вместо того, чтобы преобразовывать кинетическую энергию в энергию деформации, преобразователь быстро истощает энергию приближающейся массы. Это устанавливает скорость снаряда на ноль без традиционного замедления. Однако это работает только в непосредственной близости. Большой снаряд, тяжелая дубина, транспортное средство или здание все равно будут воздействовать на броню.

Вот где проектор вступает в игру: поглощенная энергия может храниться в кинетическом конденсаторе, готовом к передаче в тело пользователя. Сильный удар по-прежнему отправит владельца в полет. Однако, когда вся его масса будет в равной степени ускорена, его тело не получит урона. При столкновении со следующей стеной, противником или землей срабатывают те же механизмы, но наоборот.

Система имеет свои пределы, поэтому она не делает владельца непобедимым. Схемы склонны к перегреву, особенно при чрезмерном использовании в длительном бою. Совершенно неэффективен против всех типов лучевых атак.

Преобразователь кинетической энергии производится той же компанией, которая поставляет инерционные демпферы Федерации Звездного Пути. Я всегда предполагал, что у Тони Старка есть какой-то прототип в его костюмах. Судя по его комментарию, я подозреваю, что Джон О работал на них, но не могу сказать подробности из-за NDA.