Новый экзоскелет снижает нагрузки на ноги человека при ходьбе

Испытатель прогуливается с устройством по кампусу университета. "Экзоскелет" разгружает икроножные мышцы и облегчает процесс ходьбы пешком

Испытатель прогуливается с устройством по кампусу университета. "Экзоскелет" разгружает икроножные мышцы и облегчает процесс ходьбы пешком
(фото Carnegie Mellon University College of Engineering).

Доктор Грег Савицкий демонстрирует устройства, в том числе "экзоскелет", облегчающий процесс ходьбы на 7%

Доктор Грег Савицкий демонстрирует устройства, в том числе "экзоскелет", облегчающий процесс ходьбы на 7%
(фото Marc Hall, NC State University).

Доктор Брюс Уиггин испытывает "экзоскелет" на беговой дорожке в лаборатории

Доктор Брюс Уиггин испытывает "экзоскелет" на беговой дорожке в лаборатории
(фото Marc Hall, NC State University).

Аспирант Одри Уэстбруг настраивает устройство

Аспирант Одри Уэстбруг настраивает устройство
(фото Marc Hall, NC State University).

Механическая муфта является важнейшим компонентом экзоскелета

Механическая муфта является важнейшим компонентом экзоскелета
(фото Steve Collins).

Помощь устройства при ходьбе равносильна избавлению от 4,5-килограммового рюкзака

Помощь устройства при ходьбе равносильна избавлению от 4,5-килограммового рюкзака
(фото Stephen Thrift).

Испытатель прогуливается с устройством по кампусу университета. "Экзоскелет" разгружает икроножные мышцы и облегчает процесс ходьбы пешком
Доктор Грег Савицкий демонстрирует устройства, в том числе "экзоскелет", облегчающий процесс ходьбы на 7%
Доктор Брюс Уиггин испытывает "экзоскелет" на беговой дорожке в лаборатории
Аспирант Одри Уэстбруг настраивает устройство
Механическая муфта является важнейшим компонентом экзоскелета
Помощь устройства при ходьбе равносильна избавлению от 4,5-килограммового рюкзака

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 поседневной жизни. Некоторые здоровые люди также вынуждены постоянно находиться на ногах по долгу службы, что приводит к значительной усталости.

Доктор Грег Савицкий демонстрирует устройства, в том числе "экзоскелет", облегчающий процесс ходьбы на 7%
(фото Marc Hall, NC State University).

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.

Механическая муфта является важнейшим компонентом экзоскелета
(фото Steve Collins).

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.