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工程师发现脚踝外骨骼助跑器,也许助力跑也将成为了一种新的交通方式

斯坦福大学的工程师发现脚踝外骨骼助跑步
研究生Delaney Miller在脚踝外骨骼模拟器的帮助下在跑步机上跑步。
研究生Guan Rong Tan控制模拟器并监视Miller的步态和呼吸。

跑步是一项很棒的运动,但并不是每个人都感觉很好。斯坦福大学的工程师们希望增加身体活动并可能创造一种新的交通方式,他们正在研究人们可以绑在腿上的设备,以使跑步更轻松。

在模拟此类设备的电动系统(称为外骨骼仿真器)的实验中,研究人员研究了两种不同的运行辅助模式:电动辅助和基于弹簧的辅助。这个发表在《科学机器人》上的结果令人惊讶。

仅仅穿上已关闭的外骨骼钻机的举动就增加了运行的能源成本,这使其比没有外骨骼运行的难度高13%。但是,实验表明,如果适当地由电动机提供动力,外骨骼可以降低跑步的能量成本,使其比不使用外骨骼的跑步要容易15%,比不使用外骨骼的跑步要容易25%。

相比之下,研究表明,如果用外骨骼来模拟弹簧,则能量需求仍会增加,这使其比不使用外骨骼的难度高11%,比不使用外骨骼的难度要低2%。

斯坦福大学机械工程学副教授,该论文的资深作者史蒂夫·柯林斯说:“人们奔跑时,腿的行为就像弹簧一样,因此令我们惊讶的是,像弹簧一样的辅助效果不佳。我们都对自己的跑步或行走有一种直觉,但即使是领先的科学家也仍在发现人体如何使我们有效地运动。这就是为什么这样的实验如此重要的原因。”

如果未来的设计可以减少佩戴外骨骼的能源成本,则跑步者可能会从脚踝处的弹簧式辅助中获得少量收益,预计该脚踝比电动替代品便宜。

踝关节外骨骼模拟器的框架绑在使用者的胫骨上。它通过绑在脚后跟下方的绳子和插入脚趾附近的鞋底的碳纤维棒连接到鞋子。跑步机后面的马达(而不是外骨骼本身)产生两种辅助模式,即使基于弹簧的外骨骼实际上不会在最终产品中使用马达。

顾名思义,类似弹簧的模式模仿了与小腿平行运行的弹簧的影响,在踏步开始时存储能量,并在脚趾离开时释放能量。在动力模式下,电动机会拖拉一条电缆,该电缆从脚跟到小腿穿过外骨骼的后部。通过类似于自行车制动拉索的作用,在踩踏过程中它会向上拉,以在跑步结束时帮助延长脚踝。

斯坦福大学的研究生Delaney Miller说:“电动助力减轻了小腿肌肉的许多能量负担。与正常跑步相比,这是非常有弹性和弹性的。从经验上讲,这感觉真的很好。当设备提供这种帮助时,您会感觉自己可以永远运行。”

11名经验丰富的跑步者在跑步机上跑步时测试了这两种辅助类型。他们还完成了在没有打开任何辅助机制的情况下佩戴硬件的测试。

在测试之前,每个跑步者都必须习惯于外骨骼模拟器-并且对其操作进行了定制,以适应他们的步态周期和阶段。在实际测试中,研究人员通过一个面具测量了跑步者的能量输出,该面具跟踪了他们吸入的氧气量和呼出的二氧化碳量。每种辅助方式的测试持续六分钟,研究人员根据每次运动的最后三分钟得出结论。

研究人员观察到的节能效果表明,使用动力外骨骼的跑步者可以将自己的速度提高多达10%。如果跑步者有更多时间进行训练和优化,那么这个数字可能会更高。考虑到所涉及的巨大收益,研究人员认为应该有可能将有动力的骨架变成有效的不受限制的设备。

工程师发现脚踝外骨骼助跑器
实验装置和脚踝外骨骼设计。脚踝外骨骼通过小腿上方的带子,穿过鞋跟的绳索和嵌入鞋头的碳纤维板连接到使用者。磁性编码器测量脚踝角度。通过测量参与者的氧气和二氧化碳含量,通过呼吸系统收集参与者的代谢数据。图片来源:Witte等,科学。机器人。5,eaay9108(2020)

通过提供身体上的支持,信心以及可能的提高速度,研究人员认为这种技术可以通过各种方式帮助人们。

“您几乎可以将其视为一种运输方式,” 机械工程专业的研究生 Guan Rong Tan说,他和Miller一样正在继续进行这项研究。“您可以下车,打上外骨骼,并在5分钟内工作最后一到两英里,而不会出汗。”

柯林斯说:“这些是我们在任何用于辅助跑步的设备上都看到的最大的能源经济改进。因此,您可能无法在比赛的排位赛中使用它,但它可能使您能够跟上比您跑得更快的朋友。”

本文为作者 已诺 独立观点,并不代表 我是CIO 立场。

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