С легкостью необыкновенной
Человек способен передвигаться с разной скоростью, начиная неторопливой походкой и заканчивая бегом ради спасения жизни. Как правило, мы выбираем способ передвижения, который позволяет потреблять наименьшее количество энергии при необходимой скорости. Например, при одинаково медленном движении скорость метаболизма при ходьбе ниже, чем при беге; а при быстром движении, наоборот, метаболические затраты на бег ниже, чем на ходьбу.
Исследователи ранее разработали роботизированные устройства для реабилитации и применения в других областях жизни, которые помогают ходить или бегать, но ни одно портативное устройство не может эффективно справиться с обеими задачами. Содействие ходьбе и бегу с помощью одного устройства является проблемой из-за принципиально разной биомеханики. Тем не менее, и ходьба, и бег начинаются с общего - разгибания тазобедренного сустава, которое начинается примерно в то время, когда нога соприкасается с поверхностью, и требует значительных усилий для движения тела вперед.
Использование вспомогательного костюма в различных условиях: роботизированное устройство улавливает смещение центра тяжести во время ходьбы и бега и быстро подстраивается под движение. Источник здесь и далее: Wyss Institute at Harvard University.
Группа исследователей из Института Висса Гарвардского университета и Школы инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона, а также Университета штата Небраска в Омахе разработали портативный экзокостюм, который помогает передвигаться, учитывая специфические особенности движения в тазобедренном суставе при ходьбе и беге. Этот легкий костюм изготовлен из текстильных компонентов, которые крепятся на талии и бедрах, и имеет подвижную исполнительную систему, фиксируемую к нижней части спины, которая управляется алгоритмом, точно определяющим переход от ходьбы к бегу и наоборот.
Группа продемонстрировала, что при занятиях на беговой дорожке костюм в среднем снижает метаболические затраты на ходьбу на 9,3% и бег на 4%. Устройство одинаково хорошо работало во время подъема в гору, на разных скоростях бега и во время испытаний на улице, доказывая универсальность системы.
Новый экзокостюм намеренно сделан проще предыдущих версий, которые фиксировались не только к тазобедренному, но и голеностопному суставу. В действие его приводит система лямок, создающая усилие на растягивание между поясным и бедренным ремнями, чтобы получить внешний крутящий момент в тазобедренном суставе, который работает совместно с ягодичными мышцами. Устройство весит всего 5 кг, при этом более 90% его веса находится рядом с центром тяжести тела. Такой подход к концентрации веса в сочетании с гибким интерфейсом одежды сводит к минимуму энергетическую нагрузку и ограничение движения для пользователя.
Главная задача, которая требовала решения, заключалась в способности экзокостюма различать ходьбу и бег и соответственно менять необходимое количество помощи, предоставляемой в определенные циклы походки.
Во время ходьбы центр тяжести тела после опоры пяткой поднимается вверх, затем достигает максимальной высоты в середине фазы движения и опускается к концу фазы движения. При беге перемещение центра тяжести противоположно. Оно опускается до минимальной высоты в середине фазы движения и затем поднимается вверх в направлении отталкивания.
Используя описанные биомеханические особенности, авторы разработали алгоритм классификации походки, основанный на биомеханике опорно-двигательного аппарата, который может надежно и точно обнаруживать переход от одной походки к другой, отслеживая перемещение центра тяжести человека с помощью датчиков, прикрепленных к телу. Как только смена походки обнаруживается, экзокостюм автоматически регулирует время приведения своего алгоритма в действие, чтобы помочь другой походке, уменьшая затраты кислорода организмом.
Исследователи в дальнейшем планируют оптимизировать всех аспектов технологии, включая снижение веса устройства, индивидуальные алгоритмы для каждого пользователя и упрощение использования. Устройство будет полезно людям с нарушениями походки, работникам отраслей с риском получения травм, выполняющим физически напряженную работу, военным.
Статья J. Kim et al. Reducing the metabolic rate of walking and running with a versatile, portable exosuit опубликована в журнале Science.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Wyss Institute: Suit up with a robot to walk AND run more easily.