Новые исследования экзоскелета голеностопного сустава показывают многообещающие результаты.
Ключевые выводы
- Новое исследование из Стэнфорда показало, что экзоскелеты голеностопного сустава с электроприводом экономят 15% энергии, расходуемой во время бега.
- Экзоскелеты с пружинным приводом без двигателей фактически усложнили работу.
- Исследователи надеются разработать лучшие модели с пружинным приводом в будущем.
Люди были рождены, чтобы бегать, как выразился журналист и фанатик бега Кристофер МакДугалл. Двуногие имеют много преимуществ перед четвероногими, в том числе способность лучше общаться на больших расстояниях и улучшенные сердечно-сосудистые навыки. Люди относительно тусклые на коротких дистанциях; поскольку наши органы не врезаются в наши легкие, когда мы бежим, как это происходит с четвероногими, мы являемся мастерами-марафонцами.
Есть компромиссы. Из-за нашей вертикальной осанки у нас слабые шеи - дисбаланс в лодыжках и коленях часто приводит к проблемам с шеей. Далее по цепочке бег может привести к хроническим проблемам с коленями и разрывам верхней губы; Я страдал от обоих во время подготовки к полумарафону. Ударная сила повторяющихся ударов может привести к хроническим проблемам с нижней частью спины, особенно если бегуны не растягиваются и не практикуют упражнения на подвижность. Мы тратим много энергии при беге; наше тело платит за это.
Тем не менее, бег - это естественная деятельность, которая, согласно Макдугаллу, возбуждает эволюционные чувства страха и удовольствия, глубоко укоренившиеся в нашей биологии. Жаль, что наша анатомия не всегда согласуется.
Исследователи долго искали новые средства для уменьшения выхода энергии во время бега. Увлекательное новое исследование эмуляторов экзоскелета, опубликованное в журнале Science Robotics, возможно, приблизило нас на один шаг.
Когда книга Макдугалла была опубликована в 2009 году, бежало больше американцев. Как отмечают исследователи (базирующиеся в Стэнфорде, но включающие экспертов из Карнеги-Меллона, Гентского университета и Nike) в этом новом исследовании, только 25 процентов американцев в возрасте 18-29 лет сообщили, что бегали хотя бы раз в 2018 году. Участие взрослых в возрасте 30-49 лет снизилось. 20 процентов в том же году. Они называют временные обязательства и негативные ассоциации с физическими упражнениями в качестве двух основных причин. Учитывая высокую вероятность получения травмы из-за бега, нерешительность имеет смысл.
Исследователи из Стэнфорда обнаружили, что экзоскелет на лодыжке облегчает бег
Исследователи из Стэнфорда обнаружили, что экзоскелет на лодыжке облегчает бег
Мышление имеет значение. Бег - это право по рождению, и он обеспечивает отличную тренировку сердечно-сосудистой системы. Тем не менее, вокруг этого должен быть какой-то ажиотаж. Как пишет МакДугалл, «если вы думали, что [бег] - это только средство для достижения цели - инвестиции в то, чтобы стать быстрее, стройнее и богаче, - тогда зачем продолжать заниматься этим, если вы не получаете достаточно кво для своих денег?»
Вы должны любить бег, чтобы посвятить себя ему. Если тебе больно, это трудная задача.
Исследователи протестировали два режима помощи при беге: экзоскелеты с приводом от двигателя и пружинные экзоскелеты. Экзоскелет - это внешний скелет, поддерживающий тело животного, например насекомых и моллюсков. Говоря человеческим языком, это дорогие устройства, предназначенные для снижения усталости. В этом исследовании экзоскелеты голеностопного сустава были привязаны к двигателям, когда добровольцы бегали по беговой дорожке.
Одиннадцать соревнующихся бегунов были разделены на три группы: группа «оптимизированной мощности», группа, основанная на двигательных навыках, которая увеличила скорость бегунов; «оптимизированная пружина», группа в экзоскелете без двигателя; и контрольная группа, «режим с нулевым крутящим моментом», бегуны в экзоскелете, не активировавшие ни одну из функций. Последним контрольным элементом были бегуны в кроссовках нейтрального цвета без экзоскелета.
Оптимизированная пружинная и оптимизированная силовая помощь привели к снижению метаболизма на 2,1 и 24,7% соответственно по сравнению с режимом с нулевым крутящим моментом при скорости 2,7 м/с. Оптимизированная силовая помощь привела к улучшению экономичности бега на 14,6% по сравнению с бегом в обычной обуви, тогда как оптимизированная пружинная помощь привела к увеличению затрат энергии при беге на 11,1%. Столбики погрешностей указывают SD. П
Кирби А. Витте и др.
Двигатели являются важным компонентом. Ношение экзоскелета с выключенным двигателем фактически увеличило физическую потребность на 13 процентов. С урчанием двигателей потребность была на 15% ниже, чем при работе без экзоскелета.
Экзоскелеты на основе Spring не так хороши, поскольку они увеличили выход энергии на 11 процентов по сравнению с работой без механизма. Стив Коллинз из Стэнфорда, ведущий автор статьи, был удивлен этим результатом, отметив:
«Когда люди бегают, их ноги во многом напоминают пружину, поэтому мы были очень удивлены тем, что пружинная помощь оказалась неэффективной. У всех нас есть интуитивное представление о том, как мы бежим или ходим, но даже ведущие ученые все еще открывают, как человеческое тело позволяет нам эффективно двигаться».
(A) Испытательный стенд эмулятора экзоскелета. Участник бежит по беговой дорожке с двусторонними экзоскелетами лодыжки, приводимыми в действие двигателями, расположенными вне борта, с механической мощностью, передаваемой через гибкие тросы Боудена. (B) Экзоскелет лодыжки. Экзоскелет лодыжки прикрепляется к пользователю с помощью ремня над икрой, веревки через пятку обуви и пластины из углеродного волокна, встроенной в носок обуви. Внутренний трос Боудена оканчивается напечатанной на 3D-принтере титановой пяточной шпорой, оснащенной тензодатчиками для прямого измерения приложенного крутящего момента. Магнитный энкодер измеряет угол лодыжки. (C) Участник, бегущий по беговой дорожке с двусторонним экзоскелетом лодыжки. Метаболические данные собираются через дыхательную систему путем измерения содержания кислорода и углекислого газа в выдыхаемых газах участника.
Кирби А. Витте и др.
С другой стороны, экзоскелеты на пружинной основе намного дешевле, чем модели на моторной основе. Исследователи надеются разработать более энергоэффективную модель. Модели с электроприводом отлично работают, когда они привязаны к беговым дорожкам, но не подходят для бегунов по дорогам и тропам, поэтому доступная по цене версия на пружинной основе будет благом для бегунов на открытом воздухе.
Экзоскелеты на основе пружины имитируют естественную пружину бега. Как и при обычном беге, он накапливает энергию только для того, чтобы высвободить ее при отталкивании пальцами ног. С помощью двигателя стопа может разгибаться в лодыжке в конце шага. Не совсем Железный человек, но, как говорит об этих испытаниях аспирант Стэнфорда Делани Миллер, “Помощь с электроприводом значительно снизила энергетическую нагрузку на икроножные мышцы. Это было очень пружинисто и очень бодро по сравнению с обычным бегом. Если говорить по опыту, то это действительно хорошо. Когда устройство оказывает такую помощь, вы чувствуете, что можете бежать вечно».
Коллинз говорит, что это одно из самых больших улучшений в экономии энергии, когда-либо сделанных в беге. Скорее всего, это не сильно повлияет на профессиональных марафонцев, но для начинающих бегунов или тех, кто подвержен травмам, это может облегчить боль и сократить время на милю на несколько секунд.
Да, люди рождены, чтобы бегать. Как оказалось, некоторые из нас просто делают это немного лучше с помощью. Если экзоскелеты по потребительским ценам появятся на рынке, статистика бегунов-энтузиастов может измениться в сторону увеличения. Если результатом является снижение расхода энергии, что, в свою очередь, снижает риск получения травм, это выигрыш для всех нас, двуногих.