Исследователи из Университета Карнеги-Меллона в Питтсбурге, штат Пенсильвания и Университета штата Северная Каролина в Роли утверждают, что разработанный ими " экзоскелет лодыжки " снижает метаболическую нагрузку при ходьбе на 7% - это примерно эквивалент снятия со спины рюкзака весом 10 фунтов. Более того, устройство полностью автономно и не требует энергоисточника.
Предыдущие моделирования локомоции человека - акта ходьбы - предположили, что, когда мы идем по ровной поверхности и с постоянной скоростью, теоретически, не должно быть никаких расходов энергии вообще. Но ученым также известно, что люди тратят больше энергии при ходьбе, чем при выполнении любой другой повседневной деятельности.
Эта затрата энергии может вызвать проблемы у пожилых людей или у людей с ограниченными физическими возможностями, и поэтому ученые уже давно не прекращают попыток создать экзоскелеты, которые могли бы сделать ходьбу легче, но основным препятствием для реализации этой идеи была трудность, как улучшить ходьбу без использования внешнего источника питания.
Еще одна проблема при разработке такого устройства это то, что давление веса тела создает изначально необходимость в расходовании энергии.
Соответственно, многие инженеры, которые брались за создание такого экзоскелета, терпели неудачи в течение десятилетий и были убеждены, что такой проект выполнить невозможно.
Исследователям потребовалось 8 лет, чтобы решить проблему, которую не удавалось преодолеть более 100 лет.
Хотя этот вид технического устройства прошел долгий путь с 1890-х годов, когда изобретатели впервые попробовали повысить эффективность ходьбы за счет применения резиновых полос, тем не менее, и в настоящее время модели экзоскелета без питания не смогли сократить расход энергии. Биомеханики до сих пор еще даже не уверены в том, что известные протезы "лезвия", которые носили спортсмены-инвалиды, такие как Оскар Писториус более энергетически эффективнее, чем человеческие ноги.
Но теперь, в журнале «Nature», исследователи Карнеги-Меллона и NC сообщили от том, как они потратили 8 лет на разработку своего нового экзоскелета без питания - которую впервые предложили в 2007 году аспиранты Мичиганского университета Стив Коллинз и Грег Савицкий.
Коллинз, доцент кафедры машиностроения в университете Карнеги-Меллон, говорит:
"Ходьба является более сложным процессом, чем мы думаем. Каждый знает, как ходить, но на самом деле не знает, как он идет."
Ключом к успеху нового проекта было то, что пристальное внимание исследователей уделялось тому, как устройство может облегчить функцию икроножной мышцы, когда она не участвует в активном движении.
Команду исследователей заинтересовали результаты ультразвуковых исследований, которые показали, что икроножные мышцы тратят энергию не только тогда, когда передвигают тело вперед, но и когда она держат ахилловы сухожилия в напряжении.
Как решить проблему икроножной мышцы, которая постоянно находится в работе
"Исследования показывают, что икроножные мышцы, в первую очередь, продуцируют силу изометрические, не выполняя каких-либо движений, во время фазы опоры при ходьбе, и таким образом, расходуют значительную метаболическую энергию", объясняет Коллинз. "Это противоположность рекуперативному торможению. Это как если бы каждый раз, когда нажимаешь на педаль тормоза в автомобиле, сжигается немного бензина."
Таким образом, Коллинз, Савицкий и коллега М. Брюс Виггин разработали свой экзоскелет для некоторой "разгрузки" силы сжимания икроножных мышц и они обнаружили, что применение эксзоскелета снизило общий уровень метаболизма. Чтобы уменьшить энергетические затраты при воздействии веса на ноги, они создали экзоскелет с использованием ультра-легкого и, в то же время, еще "прочного и функционального", из углеродного волокна.
Коллинз считает, что экзоскелет может быть особенно полезен для людей со стойкими последствиями инсульта. "Мы по-прежнему пока еще далеки от выполнения этой задачи, но мы на пути к решению и будем продолжать работу."
Команда намерена внедрить экзоскелет среди людей с различными физическими проблемами, чтобы улучшить конструкцию на основании результатов реального тестирования в различных группах пациентов.
"Как только мы начнем понимать биомеханику человека лучше, мы сможем сконструировать индивидуальные роботизированные устройства, которые могут восстанавливать или улучшать характеристики локомоторики человека ", говорит Коллинз. "Это служит хорошим предзнаменованием для создания в будущем устройств, которые имеют малый вес, энергосберегающие характеристики и относительно недорогие, но повышают мобильность людей."
