斯坦福大学的工程师发现脚踝外骨骼有助于跑步

跑步是很好的运动,但不是每个人都感觉很好。斯坦福大学的工程师们正在研究一种装置,人们可以把它绑在腿上,使跑步变得更容易。

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Farrin雅培

研究人员发现,安装在脚踝和脚周围的电动装置可以大大降低跑步的能量消耗。

在模拟这些设备的电动系统——外骨骼模拟器——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。研究结果发表在3月25日的《科学机器人》(Science Robotics)杂志上,令人惊讶。

仅仅是穿戴一个被关闭的外骨骼装备,就会增加跑步的能量消耗,使跑步比没有外骨骼的跑步要困难13%。然而,实验表明,如果适当地由电动机供电,外骨骼可以降低跑步的能量消耗,使跑步比不带外骨骼的跑步容易15%,比不带外骨骼的跑步容易25%。

相比之下,这项研究表明,如果外骨骼能够模仿弹簧,那么能量需求仍然会增加,使其比没有外骨骼的跑步难度增加11%,比没有动力的外骨骼跑步难度仅增加2%。

“当人们跑步时,他们的腿表现得很像弹簧,所以我们非常惊讶地发现,弹簧一样的辅助没有效果,”斯坦福大学机械工程副教授、该论文的资深作者史蒂夫·柯林斯(Steve Collins)说。“我们对如何跑步或走路都有一种直觉,但即使是顶尖的科学家也在探索人体如何让我们更有效地运动。”这就是为什么这样的实验如此重要。”

如果未来的设计能够降低佩戴外骨骼的能源成本,那么跑步者可能会从脚踝处的弹簧辅助装置中得到一点好处,因为这种辅助装置预计会比电动装置更便宜。

驱动你的步骤

脚踝外骨骼仿真器的框架围绕着用户的胫骨。它与鞋相连,在鞋跟下有一圈绳子,在鞋底靠近脚趾处插入一根碳纤维棒。位于跑步机后面的发动机(但不在外骨骼上)产生两种模式的辅助——尽管基于弹簧的外骨骼实际上不会在最终产品中使用发动机。

顾名思义,春天模式模拟的影响弹簧小腿平行运行,储存能量在开始的步骤和卸载,能源作为动力的脚趾推。模式,汽车拉电缆贯穿的外骨骼从脚跟到小腿。它的作用类似于自行车的刹车线,在脱脚趾时向上拉,帮助在跑步结束时伸展脚踝。

“动力辅助系统减轻了小腿肌肉的很多能量负担。与普通跑步相比,它非常有弹性,非常有弹性,”斯坦福大学的研究生德莱尼·米勒(Delaney Miller)说,他正在研究这些外骨骼,并帮助测试这些设备。“从经验来看,这感觉真的很好。当设备提供这种帮助时,你会觉得自己可以永远跑下去。”

11名有经验的跑步者在跑步机上测试了这两种辅助方式。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。

每个跑步者必须在测试前熟悉外骨骼模拟器——它的操作是定制的,以适应他们的步态周期和阶段。在实际的测试中,研究人员通过一个面罩测量跑步者的能量输出,这个面罩记录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6分钟,研究人员根据每次锻炼的最后3分钟得出结论。

研究人员观察到的能量节约表明,使用动力外骨骼的跑步者可以将他们的速度提高10%。如果跑步者有更多的时间进行训练和优化,这个数字可能会更高。考虑到所涉及的可观收益,研究人员认为有可能将动力骨架变成一种有效的不受束缚的装置。

未来

研究人员认为,通过提供身体支持、信心和可能的速度提高,这种技术可以在不同方面帮助人们。

“你几乎可以把它当成一种交通工具,”机械工程专业的研究生关荣谭(音)说。他和米勒一样,正在继续这项研究。“你可以下了公共汽车,穿上外骨骼,在五分钟内跑完最后一到两英里的路程而不出一身汗。”

柯林斯说:“这是我们所见过的所有辅助跑步设备在能源经济方面取得的最大进步。”因此,你可能不能在比赛的排位赛中使用这个,但它可以让你跟上比你跑得快一点的朋友。例如,我的弟弟参加了波士顿马拉松比赛,我希望能和他并驾齐驱。”

来自卡内基梅隆大学、根特大学和耐克公司的研究人员是本文的共同作者。柯林斯也是斯坦福大学Bio-X的成员。

这项研究是由耐克和国家科学基金会资助的。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2020/03/25/ankle-exoskeleton-makes-running-easier/

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