Шагоходы, или шагающие машины, — разнообразные машины, передвигающиеся при помощи сгибающихся или вращающихся на шарнире опорных конструкций («ног»), методом их синхронизированной поступательной перестановки (внешне напоминающей шаг человека или животного, то есть машины на «шагающем» ходу) с гидравлическими, механическими, электрическими и другими приводами указанных конструкций и их комбинациями — электромеханическими, гидромеханическими
Ввиду конструктивной сложности исполнения, неясности целевого предназначения, и как следствие, неопределённости сферы практического применения с одной стороны, а с другой стороны — дешевизны, надёжности и простоты в эксплуатации сухопутных машин на традиционных вариантах подвижной платформы (в первую очередь, колёсной, гусеничной, рельсовой, канатно-тросовой, а также фрезерно-кольцевой, магнитно-левитационной и др.), шагающие машины пока не получили в реальной жизни большого распространения. Из используемых на практике механизмов можно назвать шагающие экскаваторы. Другими немаловажными факторами, препятствующими внедрению их в промышленность и народное хозяйство (как, впрочем, и внедрению в качестве военной техники) и требующими решения, являются энергозатраты, относительно высокие сами по себе и возрастающие по мере увеличения массы перемещаемого тела машины, длины подвижных опорных конструкций (шагающих «конечностей») и амплитуды шага, а также вестибулярные нагрузки на человека-оператора (водителя) ввиду неустойчивого положения кабины оператора в «двуногих» и «четвероногих» моделях (поэтому основное направление работ, реализующее такие варианты конфигурации шагающих опорных конструкций — робототехника, не требующая нахождения человека в машине и управляемая дистанционно или бортовым компьютером с заложенным алгоритмом действий).
Шагоходы весьма популярны в научной фантастике как возможные примеры наземной техники (в том числе боевой), — в частности встречаются в аниме и манге, где активно используются в качестве жанровой особенности меха-сэнтай. В сравнении с колёсной и гусеничной техникой шагоходам свойственна повышенная проходимость по пересечённой местности. Главной проблемой в создании шагоходов является соотношение цены и эффективности (в том числе маршевой скорости движения), а также отсутствие достаточно энергоёмких и при этом компактных источников энергоустановки и быстродействующих приводов для ходовых ног. Однако сейчас уже ведутся разработки по созданию полноценных шагающих машин.
История
Создателем первого шагохода в современном понимании этого слова можно считать русского учёного П. Л. Чебышёва, который в 1860-х — 1870-х гг. ставил эксперименты с шагающими механизмами различной конфигурации Тем не менее, ни промышленность, ни наука тех лет не востребовали такого рода устройства и они ещё долгое время существовали в виде причудливых изобретений, игрушек и т. п. Об их практическом применении для решения промышленных или военных задач речи не шло. Первое рационализаторское предложение использовать шагоходы для военных целей относится к 1940 году, — на начальном этапе Второй мировой войны, под впечатлением от успехов Вермахта во Франции, британские учёные, сотрудники инженерной компании «Аллен & Ко» А. Хатчинсон и Ф. Смит предложили создать тысячетонный ходячий танк (1000-ton walking tank) на четырёх опорных конечностях, чтобы эффективно противостоять немецким Панцерваффе. Под их руководством инженерами компании была составлена подборка чертежей и технической документации для промышленного производства указанного изобретения. Подвесная система ходячего танка теоретически обеспечивала ему устойчивость в движении по неровной поверхности. Заинтересовать британские имперские органы управления военной промышленностью и наукой данным проектом не удалось и замысел в планируемом виде не был реализован, Военное министерство прекратило финансирование проекта в пользу более практичных направлений работы и учёным лишь удалось сконструировать опытный прототип ходячего танка меньших размеров (без вооружения) который имел зооморфный вид, некое подобие вращающихся тазобедренных и коленных суставов (rolling thigh joint), управляемых системой тросов, опутывавших опорные конечности машины и сходившихся в консоли оператора. Оператор управлял машиной усилием рук и ног на рычаги и педали соответственно. Рычаги приводили в движение передние конечности, педали — задние конечности. Механические усилия оператора передавались на сгибы опорных конечностей посредством гидроусилителей. Машина успешно взбиралась на возвышения типа кучи книг.
Начало развитию шагающих машин было положено в послевоенное время, в 1950-е годы. В 1954 году в США была инициирована программа проведения фундаментальных исследований и научно-исследовательских работ по тематике создания «природных машин», реализующих в своей конструкции естественные формы и способы локомоции живых существ. За пределы чертежей и обоснования нецелесообразности технического воплощения подобного рода затеи дело тогда не пошло. Дальше всех среди задействованных научных учреждений продвинулся Ратгерский университет, группа учёных которого под руководством заведующего кафедрой машиностроения, профессора Р. К. Бернарда фактически задала направление всех последующих работ в этом направлении. Учёные как следует проработали теоретическую сторону вопроса разработки биомеханических движителей и проэкзаменировали миниатюрные модели шагающих, бегущих, скачущих, галопирующих, прыгающих и ползучих устройств. Из всех исследованных форм именно «рычажная машина» (levered vehicle) в подпрыгивающем или шагающем варианте реализации, по мнению учёных в наибольшей степени подходила для выполнения различных военных задач. При этом именно подпрыгивающая машина была признана идеальным вариантом такого рода, за образец для копирования конечностей и движений среди представителей фауны конструкторским учреждениям предлагалось брать обыкновенных кузнечиков. Тем не менее, было признано и то, что такой вариант является наиболее сложным для технической реализации, поскольку непременно требует для себя дополнительных средств корректирования траектории полёта (те же кузнечики имеют для этого крылья, позволяющие им корректировать траекторию полёта и увеличивающие точность приземления, а кенгуру пользуются хвостом), не говоря о динамических нагрузках на опорные конечности в момент толчка и особенно приземления. Поэтому, несмотря на то, что подпрыгивающие машины превосходили шагающие в скорости и маневренности, последние были признаны более простыми для технической проработки. Машиностроительному факультету Мичиганского университета под руководством декана факультета, профессора Джозефа Шигли было поручено разработать модели трансмиссии и передач для такого рода машин. Собственно, именно перед проф. Шигли и его коллективом научных работников было поставлено то, что можно назвать тактико-техническим заданием из десяти пунктов вполне конкретных по сути (8 из 10 пунктов соответствовали принципам передвижения живых существ и только 2 имели явно искусственное происхождение), поскольку все предыдущие работы носили абстрактный характер. Коллектив Мичиганского университета создал машину на 16 конечностях с ручным управлением оператором из кабины, расположенной на становой несущей части («спине») конструкции машины. Именно мичиганский прототип и работы, проведенные под руководством проф. Шигли дали богатый объём эмпирических данных относительно реализуемости/нереализуемости более ранних конструкторских замыслов шагающих машин. Чуть позже, Шигли опубликовал в сжатом виде выводы по итогам проведённых им исследований в журнале «Нью сайентист». В начале 1960-х гг. паукообразное шагающее устройство с кривошипным механизмом преобразования энергии вращения двигателя в поступательные движения опорных конечностей было сконструировано Лабораторией сухопутной локомоции (Land Locomotion Laboratory) Детройтского арсенала в Уоррене, штат МичиганShigley, Joseph E. The theory of walking vehicles. // New Scientist, 8 June 1961, v. 10, no. 238, pp. 584—585..
Тем не менее, все перечисленные эксперименты скорее предназначались не для подтверждения, а наоборот, для опровержения научно-практическим способом разнообразных завиральных теорий и идей, и осуществлялись либо на малых фондах, либо на самофинансировании. Интенсификация работ по созданию шагающих машин (преимущественно зооморфного вида, на четырёх и шести опорах) в США пришлась на середину 1960-х гг. и совпала по времени с интенсификацией американского военного вмешательства в Юго-Восточной Азии в ходе Второй Индокитайской войны. В связи с обнаружившейся на начальном этапе эскалации военных действий во Вьетнаме неподготовленностью Вооружённых сил США к действиям в тропических и субтропических лесах, предприятия американской военной промышленности бросились спешно восполнять выявленный пробел, наперебой предлагая командованию сухопутных компонентов различных видов вооружённых сил свои проекты сухопутных и амфибийных машин, отличавшихся повышенной проходимостью в сравнении с традиционными колёсными и гусеничными машинами, что дало толчок развитию машин со шнекороторным движетелем, машин с гибким шасси (flexible frame vehicles), сочленённых машин (articulated vehicles), машин с эллипсоидными колёсами (elliptical wheeled vehicles), гусеничным движителем с надувными катками, боевых и транспортных машин на воздушной подушке, разного рода подлетающих машин и «летающих джипов», средств индивидуальной аэромобильности на реактивной и винтовой тяге. Получили развитие и шагоходы.
21 апреля 1964 года на Нью-Йоркской всемирной выставке был открыт павильон Департамента армии США «Армейская мобильность: Взгляд в будущее» (Army Mobility Looks to the Future), где среди восьми перспективных концептов футуристических средств обеспечения подвижности сухопутных войск в виде эскизов и картин был представлен шагоход «Ленд-Уокер» (Army Landwalker) на четырёх опорных конечностях («ногах») с четырьмя рычажными манипуляторами («руками»), офицеры транспортно-логистической службы разъясняли посетителям выставки направления работы научно-исследовательских учреждений Транспортного управления Армии США на перспективу и потенциал для применения указанного типа машинArmy Joins With DoD, NASA in Arranging World’s Fair Exhibit . // Army Research and Development, April 1964, v. 5, no. 4, p. 36..