Loading color scheme

Сокращение энергозатрат при ходьбе за счет использования механического экзоскелета

 Reducing the energy cost of human walking using an unpowered exoskeleton. Steven H. Collins, M. Bruce Wiggin, Gregory S. Sawicki. Nature. 2015. Vol. 522. No 7555. P. 212–215.

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 особых энергетических затрат. Однако некоторые люди (например, пожилые или люди 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 или совершать длинные переходы 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. В статье описывается такое устройство – крепящийся на лодыжке экзоскелет (искусственный опорно-двигательный аппарат, надеваемого поверх конечностей человека), не имеющий отдельного источника питания. Он уменьшает энергетические затраты при ходьбе примерно на 7%. Для человека это примерно то же самое, что снять с плеч рюкзак весом в 4,5 килограмма. Устройство является простым, но высокотехнологичным и при этом не требует дополнительной энергии. Оно работает лишь благодаря своей механике. Авторы работали над устройством с 2007 г. Для начала они тщательно проанализировали биомеханику человеческой ходьбы, а на основе полученных данных спроектировали устройство, которое разгружает икроножную мышцу. Ультразвуковые исследования показали, что икроножные мышцы действуют не только тогда, когда передвигают тело вперед, но и при удержании ахиллова сухожилия натянутым. Эти мышцы производят силу изометрически, не выполняя какой-либо работы, во время фазы опоры при ходьбе. При этом они используют значительную метаболическую энергию. По этому же принципу работает и экзоскелет – он снижает некоторые мышечные усилия икр и, соответственно, метаболические затраты. Устройство снимает часть нагрузки с ахиллова сухожилия, которое соединяет пяточную кость с икроножными мышцами. Большую часть работы икр берет на себя механическая муфта, создающая силу без использования энергии человека. В течение нескольких лет авторы изготавливали пробные конструкции различного дизайна. Конечный вариант выполнен из углеродного волокна и является ультралегким, но при этом прочным и функциональным. Все устройство весит около 0,5 кг. Авторы называют его торжеством элегантности и простоты над сложными инженерными конструкциями. В будущем исследовательская группа намерена протестировать устройство при участии людей, имеющих различные проблемы с мобильностью (последствия инсульта, травмы, старение), чтобы определить, какие конструкции лучше всего подходят для различных групп населения. Возможно, в скором времени увидят свет конструкции для колена и бедра.

 В.В. Стрекопытов