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另辟蹊径,新型外骨骼能帮助用户提高行走效率!

2021-06-03 15:37
陈述根本
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文/陈根

在科幻电影中,外骨骼设备是托尼·史塔克的钢铁衣;是《流浪地球》中救生队员们的保护衣;是《阿丽塔》中人类失而复得的肢体。

在动物学领域,外骨骼是指位于动物体外的骨骼系统,比如螃蟹壳;在科研领域,外骨骼主要用来增强人类的能力,例如协助瘫痪病人肢体行动或辅助瘫痪病人康复等。

近日,加拿大女王大学领导的跨学科团队融合了生物力学、生理学和人机交互等方面的研究成果,设计了一款能帮助用户提高行走效率的外骨骼。这种行走的科学设备可以移除步态周期特定阶段的能量,减少行走的代谢成本,从而让使用者用最少的能量走最远的路。

陈根:穿上新装备,走路不费力

当我们用双足行走时,一只脚着地到同一只脚再次着地的步骤叫做“行走周期”。在过去的20年里,如何改善行走周期的能量经济性一直是个重要的课题。但步行是一个精细且高度优化的过程,所以借助外骨骼提高步行效率难度较大。现有的外骨骼技术要么会增加能耗,要么会将能量从步态周期的一个阶段转移到另一个阶段。

而新装备另辟蹊径,通过移除膝盖肌肉在末端摇摆阶段的能量来强化用户的行走能力,从而使用户在行走时不那么劳累。虽然移除人行走时腿部的能量听上去有悖常理,但是,人类肌肉确实能自然移除能量,该设备在这一过程中就起到了协助作用。

外骨骼设备不仅可以提升行走效率,还可以将移除的能量转化为电能,用于驱动设备的控制系统和其他便携式设备。这种能量收集功能对于独自一人在偏远地区旅行的用户尤其有效。有了新设备,有望解决他们手机和GPS的充电问题。

该设备主要由绳缆和旋转发电机组成,绳缆有两大用处,一方面可通过线束连接到小腿,另一方面可向上延伸并连接到输入滑轮。当膝关节盖摆动并向前伸展时,输入缆线会松开,这时输入皮带轮即可得到驱动。滑轮、齿轮系以及滚柱离合器的结合使用,可将绳缆的线性运动转换为旋转运动,并能同时放大和整合绳缆的运动。

使用时,只许将两条细缆沿着身体缠绕在双腿上就可以。当一只脚向前行走时,其中一根绳缆会让发电机旋转,这时会产生少量阻力,从而缓解膝关节大腿肌肉的紧张并促进行走。

另外,当人站立时,离合器会把输入皮带轮和齿轮系分离,并通过复位弹簧将绳缆收集到输入皮带轮上。离合器的存在,还能使外骨骼只在摆动期间施加机械负荷;而在站立期间,下肢可以摆脱外骨骼的束缚。此时,发电机的反电动势(counter emf)可将机械负载施加到输入绳缆,进而施加到佩戴者身上。

值得一提的是该外设备重约 1.5 磅(约 0.68 公斤),外形非常紧凑,可放入普通背包。由于重量较轻、体积较小,其在携带方面也较为便利。未来,如果能够实现落地,其或许能让徒步旅行者更好地享受行走的乐趣,甚至是缓解站立工作群体的职业病。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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