Моторизированный рюкзак облегчил ходьбу с грузом

Китайские и американские инженеры создали активный рюкзак, который практически полностью гасит инерциальное ускорение груза при ходьбе и тем самым снижает нагрузку на человека. Эксперименты показали, что рюкзак снижает метаболические затраты на ходьбу на 11 процентов по сравнению с обычным рюкзаком с грузом такой же массы. Статья о разработке опубликована в журнале IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.

При ходьбе человек в основном двигается вперед, но также при переставлении ног немного смещается вверх и вниз. Если на спине у него висит рюкзак, то при этих смещениях он попеременно получает ускорения, направленные вверх или вниз. Из-за этого реальная нагрузка на тело складывается не только из веса рюкзака, но также включает в себя инерционную составляющую.

В 2006 году американский инженер Лоуренс Роум (Lawrence Rome) вместе с двумя коллегами опубликовал статью в Nature, в которой описал конструкцию рюкзака, значительно снижающую нагрузку на тело человека при ходьбе, особенно быстрой. Главный элемент конструкции — это подвес основной части рюкзака на блоках и проходящих через них эластичных тросах. Благодаря им эластичные тросы гасят силы, вызываемые вертикальным ускорением при ходьбе на величину до 86 процентов. Спустя 12 лет исследовательский проект перерос в коммерчески доступный рюкзак.

Теперь инженеры под руководством Цай-Хуа Сюна (Cai-Hua Xiong) из Хуачжунского университета науки и технологии создали похожий по конструкции рюкзак, но уже с активными элементами: это позволяет снизить инерционную составляющую силы, действующей на тело, на 98,5 процента. Конструкцию можно разделить на две основные части. Одну из них за лямки и пояс надевает человек. Сзади на ней есть пластина, на которой в центре расположено подвижное крепление для основной части рюкзака или груза, а по бокам установлено два эластичных троса. Сверху каждый из тросов жестко прикреплен к пластине, далее он проходит через два блока, а на другом конце закреплен на подвижном креплении. Вместе эти элементы обеспечивают пассивное гашение колебаний.

Активная система гашения состоит из шарико-винтовой передачи, в центре которой находится подвижное крепление, а снизу — элеткромотор. На креплении также есть датчик ускорения. Во время ходьбы он анализирует нагрузку и смещает крепление относительно пластины рюкзака, чтобы вертикальное ускорение стремилось к нулю.

Разработчики провели два вида испытаний. Во время первого они сравнивали вертикальное ускорение рюкзака в нормальном режиме и с зафиксированным подвижным креплением. Выяснилось, что активная и пассивная система снижают ускорение на 98,5 процента. Во втором испытании инженеры сравнили метаболические затраты на ходьбу между активным и заблокированным рюкзаком, а также обычным рюкзаком без какой-либо системы гашения колебаний. Во время испытаний добровольцы ходили по беговой дорожке с рюкзаком и грузом массой 19,4 килограмма, а их затраты на движение измерялись по выдыхаемому воздуху. Оказалось, что при одинаковой массе груза с активным рюкзаком человек тратит на восемь процентов меньше энергии, чем с заблокированным, и на 11 меньше, чем с обычным.

Для снижения метаболических затрат на ходьбу или бег также можно применять экзоскелеты. Исследования показывают, что даже пассивный экзоскелет ног способен снизить затраты на бег на восемь процентов.

Григорий Копиев