Мечта путешественника: что поможет много ходить и не уставать

экзоскелет

Новинка для путешественников: нагрузку на ахиллово сухожилие при ходьбе возьмет на себя механический экзоскелет. 

Новое дополнение к обуви с пружиной и защелкой – первое устройство, позволяющее снизить нагрузку на ноги во время ходьбы и при этом не требующее электрического питания.

По данным разработчиков экзоскелет позволяет тратить на 7% меньше энергии при ходьбе. Кажется, что это не так уж много, но строение тела человека формировалось в течение миллионов лет эволюции. Некоторые ученые сомневались даже в возможности дальнейшего приспособления  человека к хождению, так что «усовершенствование» на 7% - это очень много.

«Это первая механическая разработка, которая снижает энергозатраты человека во время ходьбы», - говорит Майкл Голдфарб, сотрудник Университета Вандербильта, штат Теннесси. В рамках своей работы Майкл разрабатывает экзоскелеты для людей с ограниченными возможностями.

Еще в 1890-х годах исследователи пытались создать устройства, позволяющие затрачивать меньше усилий во время ходьбы – например, в качестве такого устройства использовались прорезиненные ленты. Позднее инженеры изобрели механические экзоскелеты, которые позволяли человеку поднимать очень тяжелые предметы, однако эти экзоскелеты не позволяли снизить уровень затрачиваемой энергии. Ученые-биомеханики до сих пор не пришли к единому мнению о том, насколько знаменитые «лезвия» Оскара Писториуса более энергетически эффективны, чем обычные ноги.   

Механический экзоскелет

При разработке экзоскелета ученые руководствовались принципом подобия: механизм действия экзоскелета должен был быть аналогичен действию связок и мышц. Когда человек выставляет ногу вперед, чтобы сделать шаг, сила упругости сосредоточена в основном в ахилловом сухожилии стоящей сзади ноги. Энергия высвобождается, когда ступня стоящей сзади ноги отрывается от земли, выталкивая тело вперед. «Наш голеностоп – это своего рода катапульта», - поясняет один из участников проекта по разработке экзоскелета.

Для эффективного хранения силы упругости в ахилловом сухожилии икроножные мышцы должны сопротивляться растяжению. Большая часть энергии, требуемой для ходьбы, расходуется на «блокировку» икроножных мышц для сопротивления их растяжению. По словам специалиста по нейромеханике Макса Донелана, это присущий нашей мышечной системе недостаток. Механические рычаги имеют преимущество перед мышцами, поскольку они блокируют растяжение, не потребляя энергии.

Конструкция экзоскелета изготовлена из легких материалов на основе углерода. Основной элемент экзоскелета – пружина, соединяющая заднюю часть ступни с точкой крепления под коленом, где она закрепляется с помощью зажима. Когда ахиллово сухожилие растянуто, зажим срабатывает, и пружина играет роль дополнительной связки – растягивается и помогает сохранить энергию. После того, как стоящая нога выталкивается, высвобождая энергию упругости, зажим открывается и компенсирует ослабление натяжения пружины для подготовки к следующему циклу.

Разработка ведется уже несколько лет, но только недавно удалось найти легкие материалы, благодаря которым удалось снизить вес экзоскелета: сейчас вес экзоскелета для каждой ноги составляет менее 0,5 кг.

Идти в гору

Потенциальная проблема, по мнению разрабочиков, состоит в том, что экзоскелет позволяет экономить энергию только при средней скорости ходьбы по ровной поверхности. Стивен Коллинз, инженер-биомеханик из Университета Карнеги-Меллон и член команды разработчиков, говорит, что в настоящее время проводятся тесты по работе приспособления в различных условиях.

Исследователи планируют внедрить «интеллектуальные» зажимы, которые будут менять режим работы в зависимости от индивидуального стиля ходьбы или ландшафта. Ученые рассчитывают запустить коммерческий проект по продаже экзоскелета – предполагается, что стоимость комплекта для обеих ног будет меньше, чем цена за пару горнолыжных ботинок. Экзоскелет будет полезен не только для любителей ходьбы, но и для восстановления после травм или инсульта.

Однако какие перспективы экзоскелет открывает для улучшения общественного здоровья? Если посмотреть на проблему ожирения, которая с каждым годом становится все серьезнее, то снижение энергозатрат во время ходьбы вряд ли поможет улучшить здоровье людей с этим заболеванием. Но для пожилых людей, которые не могут много ходить, экзоскелет станет настоящим спасением и позволит продлить период активности. 

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?