Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Пассивный экзоскелет снизил энергозатраты на бег

IEEEEMBS / YouTube

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.