Люди эволюционировали, чтобы быть невероятно энергетически эффективными при ходьбе на двух ногах. Моделирование передвижения человека показывает, что ходьба по ровной поверхности и на постоянной скорости почти не требует от него особых энергетических затрат.
Однако некоторые люди (например, пожилые или с ограниченными возможностями) испытывают значительные трудности при ходьбе. Им приходится тратить больше энергии при хождении, часто даже больше, чем при любой другой деятельности в их повседневной жизни. Некоторые здоровые люди также вынуждены постоянно находиться на ногах по долгу службы, что приводит к значительной усталости.
В течение нескольких десятилетий инженеры пытались разработать системы, которые могли бы облегчить процесс ходьбы. Исследователи активно обсуждали, возможно ли в принципе улучшить эффективность ходьбы без использования внешнего источника энергии.
Исследователи из университета Карнеги-Меллон и университета Северной Каролины продемонстрировали крепящийся на лодыжке “экзоскелет”, не имеющий отдельного источника питания. Он уменьшает энергетические затраты при ходьбе примерно на 7%. Для человека это примерно то же самое, чтоснять с плеч рюкзак весом в 4,5 килограмма.
Эксперты уже назвали изобретение важным этапом в разработках вспомогательных устройств, так как оно является простым, но высокотехнологичным и при этом не требует дополнительной энергии. Оно работает лишь благодаря своей механике.
Устройство в течение восьми лет разрабатывалось Стивом Коллинзом (Steve Collins) и Грегори Савицким (Greg Sawicki). Они начали работать над проектом ещё в 2007 году, будучи аспирантами Мичиганского университета.
“Ходьба является куда более сложным процессом, нежели принято считать, – рассказывает Коллинз, ныне преподаватель кафедры машиностроения инженерного колледжа при университете Карнеги-Меллон. – Все мы знаем, как ходить, но на самом деле мало кто знает, как осуществляется ходьба”.
Коллинз, Савицкий и их соавтор Брюс Уиггин (M. Bruce Wiggin) тщательно анализировали биомеханику человеческой ходьбы. На основе полученных данных они и спроектировали своё простое ультралёгкое устройство, которое разгружает икроножную мышцу.
Ультразвуковые исследования показали, что икроножные мышцы действуют не только тогда, когда передвигают тело вперёд, но и при удержании ахиллова сухожилия натянутым.
“Исследования показали, что икроножные мышцы производят силу изометрически, не выполняя какой-либо работы, во время фазы опоры при ходьбе. При этом они используют значительную метаболическую энергию, – объясняет Коллинз. – Это можно сравнить с тем, когда вы нажимаете на педаль тормоза в автомобиле, при этом вы сжигаете немного бензина”.
Поняв это, команда изготовила крепящийся на лодыжку “экзоскелет”, который снижает некоторые мышечные усилия с икр и, соответственно, метаболические затраты. Большую часть работы икр берёт на себя механическая муфта, создающая силу без использования энергии человека.
В течение нескольких лет учёные перепробовали несколько вариантов дизайна конструкции; конечный вариант изготавливается из углеродного волокна и является ультралёгким, но при этом прочным и функциональным. Всё устройство весит около полукилограмма.
Изобретатели называют своё детище торжеством элегантности и простоты над сложными инженерными конструкциями. Одной из главных целей Коллинза и Савицкого является создание лёгких и энергоэффективных экзоскелетов для помощи людям с ограниченными физическими возможностями.
“Представьте себе, что эти лёгкие эффективные устройства смогут носить на поражённой конечности люди, пытающиеся справиться с последствиями инсульта, – говорит Коллинз. – Мы надеемся, что подобные этому проекты будут помогать людям, которым тяжело ходить из-за травм, заболеваний или старения”.
В будущем исследовательская группа намерена тестировать устройство при участии людей, имеющих различные проблемы с мобильностью, чтобы определить, какие конструкции лучше всего подходят для различных групп населения. Возможно, в скором времени увидят свет конструкции для колена и бедра.
Подробное описание устройства было опубликовано в издании Nature.
Автор: Маргарита Паймакова