Созданы легковесные экзоскелетные компоненты, значительно улучшающие подвижность людей

2-04-2015, 09:30

0

Image 16+
Созданы легковесные экзоскелетные компоненты, значительно улучшающие подвижность людей

Люди развили необычайно эффективный опорно-двигательный аппарат. Симуляции человеческих движений показывают, что ходьба по ровной местности с постоянной скоростью теоретически не должна требовать приложения силы.

Однако любой, кто работает на ногах или совершает трудоемкую прогулку, считает иначе. На самом деле люди тратят больше энергии в ходе прогулки, нежели во время другой повседневной активности, при этом для пожилых людей или для людей с проблемами подвижности эта энергия — на вес золота.

Десятилетиями инженеры предполагали системы, которые облегчают ходьбу. Фактически многие исследователи предпринимали попытки создать пассивные экзоскелеты и терпели неудачу, и попытки эти вызывали массу обсуждений, возможно ли улучшить эффективность ходьбы без добавления внешнего источника энергии.

В издании Nature исследователи из университета Карнеги Меллон и университета штата Северная Каролина продемонстрировали пассивный голеностопный экзоскелет, который снижает метаболические затраты ходьбы примерно на 7%. Результаты примерно эквивалентны тому, как если бы человек снял с плеч 4,5-килограммовый рюкзак, и эквивалентны экономии энергии с помощью экзоскелетов с электрическими устройствами.

Легковесный экзоскелет из углеродного волокна на 7% сокращает метаболические затраты организма на ходьбуИсследование основано на работе, поддержанной Национальным научным фондом.

«Это настоящая захватывающая веха в области вспомогательных устройств», сообщил профессор Томас Робертс из университета Брауна. „Коллеги с помощью вспомогательного устройства снизили затраты человеческой ходьбы. Это грандиозно, поскольку ходьба действительно стала менее затратной, и достигается это с помощью простого, но умного устройства“.

Устройство, о котором говорит профессор, является результатом 8-летней работы, проводимой Стивом Коллинзом и Грегом Савики с 2007 года.

«Ходьба сложней, чем можно себе представить», сказал доцент Коллинз. „Все знают, как ходить, но никто не знает, как ему это удается“.

Коллинз, Савики и соавтор работы Брюс Виджин преуспели там, где многие ранее потерпели фиаско, выполняя осторожные исследования биомеханики человеческой ходьбы, и разработали простое ультралегкое устройство, снижающее усилия мышцы голени, когда она не производит никакой работы.

Ультразвуковые исследования показали, что мышца голени затрачивает энергию не только когда тело движется вперед, но и во время активности, подобной сцеплению, удерживая Ахиллово сухожилие в тугом состоянии.

«Исследования показали, что мышцы голени, прежде всего, производят силу изометрически, не выполняя работу, во время фазы опоры ходьбы, но расходуя метаболическую энергию», пояснил Коллинз. „Эта активность обратна регенеративному торможению. Подобно тому, как в автомобиле каждый раз при нажатии педали торможения сжигается немного топлива“.

Ученые создали голеностопный экзоскелет, который снимает некоторые усилия мышцы голени, снижая общий метаболический уровень.

Механическое сцепление задействуется, когда нога стоит на земле, и отключается, когда нога висит в воздухе. Сцепление принимает усилие мышцы голени, производя силу без расходования какой-либо энергии и сокращая метаболический уровень в целом.

В ходе разработки устройства исследовательская команда столкнулась с проблемой. Когда на ноги крепятся тяжелые объекты, это увеличивает энергетические затраты, и преодолеть это увеличение ранее не удавалось. По этой причине исследователям было важно сделать устройство легковесным.

Механизм сцепления легковесного экзоскелетаСпустя несколько лет усилий и множество повторяющих друг друга проектов, команда разработала проект углеродного волокна, которое одновременно является ультралегким, прочным и функциональным. В целом вес устройства составил примерно 0,45 кг на каждую ногу, то есть меньше, чем весит рабочая обувь.

По словам экспертов, устройство является верхом элегантности и простоты.

«Этот неожиданный и беспрецедентный результат с потенциалом улучшения такой знакомой человеческой активности как ходьба, был обнаружен во время фундаментального научного исследования механически усиленной функции лодыжки», сообщил Джордан Берг, программный директор Национального научного фонда США. „Это замечательный пример того, как фундаментальные исследования могут привести к новым выгодным устройствам“.

Одна из долгосрочных целей проекта Коллинза и Савики состоит в том, чтобы использовать легкие экзоскелеты с низким энергопотреблением, чтобы помочь людям с проблемами подвижности.

«Можно предположить, что эти легкие эффективные устройства, носимый на голенях, помогут людям с последствиями инсульта», сказал Коллинз. „Мы надеемся, что подобные технологии помогут людям, пережившим инсульт, ходить. Пока мы еще не достигли этого, но попробуем сделать в ближайшее время“.

В будущем ученые намерены протестировать устройство на людях с проблемами подвижности, чтобы определить, какие именно проекты будут работать лучше у разных популяций. Также ученые заинтересованы в развитии экзоскелетных компонентов для коленей и бедер, которые могут оказаться еще более полезными.

«С лучшим пониманием человеческой биомеханики мы полагаем, что носимые автоматизированные устройства помогут восстанавливать или усиливать человеческую моторную эффективность», сказал Коллинз. „В будущем появятся легкие устройства с низким энергопотреблением, относительно недорогие и увеличивающие человеческую подвижность“.

Не забудьте добавить «MedNovelty» в источники новостей
Добавить сайт «MedNovelty» в мои источники Яндекс.Новости
Добавить сайт «MedNovelty» в мои источники Google.News
Не забудьте поделиться новостью!

Комментировать

Комментарии для сайта Cackle