Пассивный экзоскелет снизил энергозатраты на бег

Иранские инженеры разработали экзоскелет, который помогает бежать без использования моторов или других актуаторов. Испытания показали, что устройство снижает энергетические затраты организма на восемь процентов, пишут авторы статьи в IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.

Термином экзоскелет называют довольно разнородные устройства, которые отличаются как по конструкции, так и по функциям и влиянию на носящего их человека. Некоторые экзоскелеты надеваются на большую часть тела и позволяют увеличить физическую силу человека или даже вернуть способность ходить. Другие предназначены для ног и позволяют снизить нагрузку  во время ходьбы. Несмотря на то, что в этой области создано уже достаточно много устройств, массово они не применяются. Часть экзоскелетов для ног уменьшают нагрузку благодаря сложной электромеханической системе, которую невозможно носить с собой, а пассивные и относительно компактные экзоскелеты пока создавались только для ходьбы.

Группа из Тегеранского университета под руководством Нили Ахмадабади (Nili Ahmadabadi) создала пассивный экзоскелет, способный снижать нагрузку при беге. Поскольку в пассивном экзоскелете нет актуаторов, разработчики использовали в качестве них ноги человека. Дело в том, что во время каждого цикла бега ноги совершают два типа движений — ускорение в начале цикла и торможение в конце, причем в каждый момент времени левая нога делает движение, обратное движению правой. Инженеры создали простой механизм, связывающий движения ног и позволяющий использовать тормозное движение для снижения энергозатрат.

Экзоскелет устроен достаточно просто: он состоит из пары двухсегментных рам, соединенных между собой ремнем, закрепленным на талии, и изогнутой металлической пластиной, выступающей в качестве пружины. Именно она позволяет связывать крутящие моменты ног. Масса экзоскелета составляет 1,8 килограмма, но инженеры отмечают, что если заменить алюминий в конструкции на углеволокно, массу можно будет снизить до килограмма, что позволит также снизить и энергозатраты человека.

Для проверки эффективности конструкции разработчики провели пятидневные эксперименты, в которых участвовали десять добровольцев. За первые три дня участники бегали со скоростью 2,5 метра в секунду суммарно 30 минут и обучались бегу с экзоскелетом. В последние два дня проводились непосредственно испытания, во время которых добровольцы бегали на беговой дорожке по 10 минут с экзоскелетом и без него. Метаболизм измерялся стандартным методом, при котором энергозатраты оцениваются по уровню вдыхаемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа.

Сравнение бега в двух режимах показало, что надетый экзоскелет позволяет снизить энергозатраты на 8 ± 1,5 процента. Разработчики отмечают, что это примерно равнозначно тому, что человек с массой 75 килограммов сбросил бы шесть килограммов. Если вычесть массу экзоскелета, то снижение нагрузки было бы равно 10,2± 1,5%, что показывает потенциал увеличения эффективности устройства при снижении массы конструкции.

В начале года американские разработчики представили активный экзоскелет для ног и алгоритм для него, позволяющие быстро подстроить движения устройства под конкретного человека. Испытания показали, что экзоскелету требуется чуть более 20 минут на адаптацию к пользователю, после чего энергетические затраты на ходьбу снижаются на 17 процентов.

Григорий Копиев