Американские биоинженеры создали экзоскелет, который существенно снижает нагрузку на ноги у человека при ходьбе. Затраты энергии с таким устройством уменьшаются на 7%. При этом его действие основано лишь на биомеханике - чтобы устройство работало, не нужны ни батарейки, ни компьютер.
Такой экзоскелет может помочь пожилым людям или тем, кто испытывает трудности с передвижением, например, после инсульта, травм или в результате других заболеваний.
Создание различных экзоскелетов – идея не новая.
«Еще в 1890-х годах ученые пытались увеличить эффективность ходьбы при помощи резиновой подошвы. Затем, уже в настоящее время были созданы различные экзоскелеты, позволяющие людям поднимать тяжести», - говорит один из авторов исследования Грегори Савицкий (Gregory Sawicki) из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл.
Например, несколько лет назад японская корпорация начала массовое производство экзоскелетов серии HAL (Hybrid Assistive Limb, буквально «гибридная вспомогательная конечность»). По заявлениям конструкторов, при помощи HAL человек сможет поднять в десять раз больше веса, чем обычно. Масса такого костюма составляет 23 килограмма.
Японскими разработчиками также был создан экзоскелет для грузчиков, который позволяет поднимать еще большие тяжести.
«Все эти устройства хороши, но они не позволяют сократить энергетические затраты организма. Например, инженеры до сих пор спорят о том, являются ли протезы знаменитого бегуна Оскара Писториуса более энергетически эффективными, чем обычные ноги», - говорит Савицкий.
Еще одно отличие всех этих устройств от новой разработки состоит в том, что все предыдущие модели работают с помощью бортового компьютера, также для них часто требуется и довольно массивное и тяжелое зарядное устройство. В основе же работы нового экзоскелета, который снижает нагрузку при ходьбе и уменьшает энергетические траты организма – только обычная биомеханика, которую ученым удалось оптимизировать.
Такой экзоскелет состоит из пружины и системы креплений, которые работают вместе с ахилессовым сухожилием и мышцами голени. Устройство весит всего 500 граммов, и для его работы не нужны батарейки и зарядные устройства.
«Созданный нами экзоскелет работает как небольшая катапульта. Его пружина повторяет действие ахиллесова сухожилия и работает одновременно с мышцами голени, чтобы снизить на них нагрузку. Система зажимов и креплений необходима, чтобы устройство работало, когда нога находится на земле, это позволяет накапливать, а потом и выпускать упругую энергию», - объясняет Грегори Савицкий.
В тестировании устройства приняли участие девять взрослых людей, у которых не было проблем со здоровьем. После определенных упражнений, они двигались по беговой дорожке с экзоскелетом на обеих ногах. Также ученые изменяли степень упругости пружины, чтобы понять, какая степень упругости наиболее оптимальна.
«Наше исследование показало, что затраты энергии при ходьбе с таким экзоскелетом уменьшаются на 7%. Это как будто вы сбросили пятикилограммовый рюкзак и идете налегке», - говорит Савицкий.
Природа в ходе эволюции человека создала, казалось бы, совершенную механику ходьбы. Но оказывается, нет предела совершенству – возможно, что ученым удалось заглянуть в будущее, и именно так будут работать ноги человека через несколько тысячелетий.
«Наше исследование показывает, что в биомеханике движений человека остается еще очень много неизвестных до конца моментов, которые еще только предстоит выяснить», - добавляет Савицкий.
«Вполне возможно, что совсем скоро появятся такие экзоскелеты, которые помогут человеку быстрее передвигаться, или помогут тем людям, которым трудно это делать», - говорит один из авторов работы доктор Стивен Коллинз (Steven Collins) из Университета Карнеги-Меллон.
Статья американских ученых с описанием разработки экзоскелета опубликована в последнем номере журнала Nature.
