Создан ультралёгкий экзоскелет для ног, который существенно повышает эффективность нашей ходьбы
Мы, в ходе своей эволюции, стали невероятно эффективными пешими ходоками. Фактически, симуляции человеческих движений показывают, что ходьба по ровной поверхности и с постоянной скоростью теоретически вовсе не должна требовать затрат энергии. Однако те, кто не понаслышке знаком с пешими путешествиями, знают, что это совсем не так. На самом деле, мы тратим во время ходьбы больше энергии, чем во время любой другой деятельности в своей повседневной жизни. И в течение десятилетий инженеры старались придумать системы, которые смогли бы сделать ходьбу легче и эффективнее.
В статье, которая была опубликована вчера в журнале «Nature», исследователи из Университета Карнеги Меллона и Университета Северной Каролины продемонстрировали несиловой экзоскелет, который уменьшает метаболические затраты на ходьбу на 7 процентов. Это примерно эквивалентно тому, что во время путешествия вы сняли бы с себя 4 килограмма лишнего груза.
Следует отметить, что ходьба, несмотря на свою привычную для нас простоту, является чрезвычайно сложным биомеханическим процессом. Создание экзоскелета потребовало восемь лет терпеливого и последовательного труда – результатом которого стало ультра-лёгкое устройство, которое разгружает мышцы голени, когда они не производят какой-либо продуктивной работы.
Ультразвуковые исследования показали, что мышцы голени расходуют энергию не только тогда, когда они двигают наше тело вперёд, но и когда производят схватывающее движение, чтобы держать наши ахиллесовы сухожилия туго натянутыми.
«Исследования показали, что мышцы голени во время статичной фазы ходьбы по большей части генерируют усилия изометрически, не производя никакой работы,– но при этом по-прежнему используют немалое количество метаболической энергии», объясняет один из разработчиков Стив Коллинз. «Это прямо противоположно идее быстрой передышки для отдыха и восстановления. Это всё равно, что каждый раз нажимая на педаль тормоза в своём автомобиле, вы сжигаете немного бензина».
Вооружившись этим знанием, команда разработала экзоскелет для икры, который берёт на себя часть удерживающих усилий голени, уменьшая общий уровень метаболических затрат.
В данном случае механический кулачок устройства активируется, когда ступня находится на земле, и деактивируется, когда она поднимается в воздух. Кулачок берёт на себя работу голени и производит необходимое усилие без затрат энергии, что и позволяет уменьшить скорость её расходования.
Чтобы не нагружать ноги собственным весом, каждое такое устройство собирается из углеволокна и весит всего около 400 грамм, оставаясь при этом весьма прочным и функциональным.
В будущем разработчики экзоскелета, Стив Коллинз и Грег Савицкий, хотят испытать своё устройство с помощью людей, имеющих различные ограничения подвижности, чтобы понять, какие вариации дизайна наиболее успешны для решения этих проблем. Также они намерены разработать экзоскелетные компоненты для коленей и бёдер, с помощью которых, как они надеются, можно добиться ещё больших биомеханических преимуществ.
