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可穿戴设备让你走路更轻松省力

时间: 2015年04月03日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
《自然》杂志报道,卡内基梅隆大学与北卡罗来纳州立大学的研究者已经发明出了一种无动力的踝关节外骨骼,能帮助普通人更加轻松省力地行走。

一条腿装着“外骨骼”的学生走在校园里。当脚着地时,无动力的离合器(图中左上方)与一根和跟腱相平行的弹簧(左边)相啮合,减轻了小腿肌的负担,让行走更省力。图片来源:Carnegie Mellon University College of Engineering

 

经过万年的进化,人类在行走方面已经极为高效了。对人体运动的模拟显示,人在平地上匀速行走,理论上不需要任何能量输入。

 

然而,工作中需要走大量路的人或者曾经进行过艰苦远足的人都不会这么觉得。事实上,日常生活中,人们在走路上所花的能量比一天中其他任何活动都多,而对于老年人或者行动不便的人们来说则更是如此。

 

几十年来,工程师一直都在设想能设计出怎样的系统来让走路变得更容易。许多研究者都试图制造无动力的“外骨骼”(exoskeleton)来帮助人们行走,但是都失败了,以至于该领域内很多人都认为不额外输入能量是不可能再增加行走效率的了,引起了激烈的争论。

 

然而,根据昨天《自然》杂志的报道,卡内基梅隆大学与北卡罗来纳州立大学的研究者已经发明出了一种无动力的踝关节外骨骼,可以减少行走过程中7%的代谢值。这个结果意味着什么呢?它相当于你从身上卸下一个10磅(约4.5千克)的负载,跟电动外骨骼的节省的能量相当。

 

“这在辅助设备领域绝对是激动人心的里程碑事件。”布朗大学的生态学家与演化生物学家托马斯•罗伯茨说,他是运动生物力学领域的专家,并没有参与这项研究。他还说,“他们制造出一种辅助设备,降低了人类在走路上的消耗。这是一件很了不起的事,因为走路本身效率已经非常高了,而他们用一种简单而聪明的办法在此基础上继续提高了效率。”

 

这一设备的研发经过了8年耐心而循序渐进的工作。早在2007年Steve Collins和Greg Sawicki一块儿在密歇根大学当研究生的时候,他们就在研究室的白板上筹划着这一研究了。

 

“走路比你想象的要复杂得多,”现任卡内基梅隆大学机械工程系助理教授的Collins说,“我们每个人都会走路,但你其实并不真正了解走路。”

 


这张图片展示了戴着一副被动弹性踝关节外骨骼走路是什么样子的。图片来源:Stephen Thrift, North Carolina State University

 

在过去的众多尝试都失败了的情况下,Collins、Sawicki和文章的共同作者 M. Bruce Wiggin最终取得了成功。他们对人类行走的生物力学进行了仔细的分析,并设计了一个简单、超轻的设备来放松小腿肌肉,设备本身并不作有效功。

 


图片来源:Steve Collins

 

超声波成像研究表明,小腿肌不仅仅在推动身体前进的时候施加能量,它也起着一个离合器的作用,以保持跟腱紧绷。

 


Greg Sawicki展示了一些外骨骼设备,包括发表在《自然》上的、可以使人类行走效率增加7%的那一种。图片来源:Marc Hall, NC State University

 

研究表明,小腿肌肉是等长收缩来产生力的,因此在着地的过程中,虽然并不做功,还是需要消耗大量的代谢能量。Collins解释道:“这就跟混合动力汽车的再生制动(regenerative braking)相反, 再生制动是把刹车时动能的减小转化成电能储存起来,但这就像你每次踩刹车踏板的时候都要多消耗一点汽油一样。”

 

有了这个想法,他们就发明出了这种新的踝关节外骨骼,可以在部分程度上放松小腿肌肉,减小整体的代谢消耗速率。

 

一个机械的离合器在脚着地时啮合、在脚抬起时松开,以避免干扰行走节奏。这个离合器部分代替了小腿肌肉的工作,在不额外消耗能量的情况下产生了力,从而减小了总体的代谢率。

 

在研发这一设备的过程中,研究小组遇到的一个挑战就是把重物附加到腿上不可避免地会增加能量消耗,而之前其他小组正是倒在了这一点上。因此,减轻该设备的重量是至关重要的。

 

在数年间,经过多次尝试,研究小组终于发现了一种超轻、然而坚固且功能强大的碳纤维设计。整个器械的重量只有1磅(合0.45千克)左右,比一只工作靴还轻。

 

 

Bruce Wiggin穿着这种外骨骼设备在实验室里的跑步机上走着。根据发表在《自然》上的论文,这种设备能让身体正常的成年人走路省力7%。

 

专家们一致认为,这一设备代表了“优美、简洁的生物干预对过度复杂的工业设计的伟大胜利”。

 

“这一出乎意外而又史无前例的结果告诉我们,人们对像走路这样熟悉的活动都还能有提升空间。这一结果是通过对机械增强踝关节功能的基础科学研究来实现的,这是基础研究带来实用新设备的一个极好例子。”美国国家科学基金会(NSF)的项目主管Jordan Berg说。

 

不过,这一研究也有为人所诟病之处,就是它只对正常人有效。Sawicki自己也说:“很多人都质疑我,为什么你反而想要节省能量呢?我们不是已经面临着肥胖问题了吗?”不过他还是觉得,这项技术还是会有些帮助,比如它会让原本懒得出门的人更愿意出门走动。

 

而Collins和Sawicki的长期目标,当然是使用超轻、高效率的外骨骼帮助有行动障碍的人。

 

“我们希望用这样的技术帮助行动不便的人们行走得更方便,例如中风后有后遗症的人,”Collins说,“我们离这一目标还有距离,但我们一定会努力尝试的。”(来自phys.org与《自然》,丁家琦编译)

 

原文链接:http://phys.org/news/2015-04-nature-device-efficiency.html

http://www.nature.com/news/exoskeleton-boots-improve-on-evolution-1.17237

 

《自然》发表的论文链接:http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14288.html