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可穿戴式外骨骼让你走路更relax

发布时间:2018-07-17 01:08:03 文章来源:未来智库    
    伴随着可穿戴智能技术不断的向前发展,越来越多的开发者也一直在探索全新的有意思的方法,并结合人们的身体情况,进行更加切实可行的科技创新。近日,一种名为“无动力的踝关节外骨骼”的全新可穿戴智能设备正式对外亮相,瞬间受到了科技界人士的强烈关注。据《自然》杂志报道,该项发明是由卡内基梅隆大学与北卡罗来纳州立大学的研究者共同研制完成,可以帮助普通人更加轻松省力地行走。
    贴心的减负帮手
    当你爬山或逛街走累的时候,如果要是在你的一条腿戴上“外骨骼”。只要脚一着地,无动力的离合器与一根和跟腱相平行的弹簧相啮合,瞬间减轻了小腿肌的负担,让行走更relax。
    据悉,这款外骨髂由轻质的碳纤维材质制成,因此并不会带来额外的负担,而跟腱部的弹簧才是它的精髓所在,要知道这段弹簧的位置可是经过反复试验才最终敲定的。
    来自北卡罗来纳州立大学的发明者Gregory Sawicki表示:“我们只是想证明虽然经过了数百万年的进化,但是人体的运动结构还是有着人为改进的空间,而我们对自己今天所取得的成就也感到惊讶和庆幸,而这才仅仅是开始,还有很多人体生物力学之谜等着解开。”
    开发人员在充分研究小腿肌肉与跟腱的生物动力学特点后发现,在行走过程中小腿肌肉和跟腱存在密切的刚性连接,而这款外骨骼所做的就是通过弹簧和特殊的棘齿结构吸收在这个过程所浪费的能量并在合适的时候将其释放,从而使行走变得更有效率。
    的确,经过万年的进化,人类在行走方面已经极为高效了。对人体运动的模拟显示,人在平地上匀速行走,理论上不需要任何能量输入。
    然而,工作中需要走大量路的人或者曾经进行过艰苦远足的人都不会这么觉得。事实上,日常生活中,人们在走路上所花的能量比一天中其他任何活动都多,而对于老年人或者行动不便的人们来说则更是如此。
    几十年来,工程师一直都在设想能设计出怎样的系统来让走路变得更容易。许多研究者都试图制造无动力的“外骨骼”(exoskeleton)来帮助人们行走,但是都失败了,以至于该领域内很多人都认为不额外输入能量是不可能再增加行走效率的了,引起了激烈的争论。
    然而,根据《自然》杂志的报道,这款无动力的踝关节外骨骼,可以减少行走过程中7%的代谢值。这个结果意味着什么呢?它相当于你从身上卸下一个10磅(约4.5公斤)的负载,跟电动外骨骼节省的能量相当。
    “这在辅助设备领域绝对是激动人心的里程碑事件。”布朗大学的生态学家与演化生物学家托马斯・罗伯茨说,他是运动生物力学领域的专家,并没有参与这项研究。他还说,“他们制造出一种辅助设备,降低了人类在走路上的消耗。这是一件很了不起的事,因为走路本身效率已经非常高了,而他们用一种简单而聪明的办法在此基础上继续提高了效率。”
    反复试验不负有心人
    事实上,这一设备的研发经过了8年耐心而循序渐进的工作。早在2007年Steve Collins和Greg Sawicki一块儿在密歇根大学当研究生的时候,他们就在研宄室的白板上筹划着这一研究了。
    “走路比你想象的要复杂得多,”现任卡内基梅隆大学机械工程系助理教授的Collins说,“我们每个人都会走路,但你其实并不真正了解走路。”
    在过去的众多尝试都失败了的情况下,Collins、Sawicki和一起研究的同伴最终取得了成功。他们对人类行走的生物力学进行了仔细的分析,并设计了一个简单、超轻的设备来放松小腿肌肉,设备本身并不作有效功。
    根据超声波成像研究表明,小腿肌不仅仅在推动身体前进的时候施加能量,它也起着一个离合器的作用,以保持跟腱紧绷。
    同时,研究表明,小腿肌肉是等长收缩来产生力的,因此在着地的过程中,虽然并不做功,还是需要消耗大量的代谢能量。Collins解释道:“这就跟混合动力汽车的再生制动(regenerativebraking)相反,再生制动是把刹车时动能的减小转化成电能储存起来,但这就像你每次踩刹车踏板的时候都要多消耗一点汽油一样。”
    有了这个想法,他们就发明出了这种新的踝关节外骨骼,可以在部分程度上放松小腿肌肉,减小整体的代谢消耗速率。
    一个机械的离合器在脚着地时啮合、在脚抬起时松开,以避免干扰行走节奏。这个离合器部分代替了小腿肌肉的工作,在不额外消耗能量的情况下产生了力,从而减小了总体的代谢率。
    在研发这一设备的过程中,研究小组遇到的一个挑战就是把重物附加到腿上不可避免地会增加能量消耗,而之前其他小组正是倒在了这一点上。因此,减轻该设备的重量是至关重要的。
    在数年间,经过多次尝试,研究小组终于发现了一种超轻、然而坚固且功能强大的碳纤维设计。整个器械的重量只有1磅(合0.45公斤)左右,比一只工作靴还轻。
    专家们一致认为,这一设备代表了“优美、简洁的生物干预对过度复杂的工业设计的伟大胜利”。
    “这一出乎意外而又史无前例的结果告诉我们,人们对像走路这样熟悉的活动都还能有提升空问。这一结果是通过对机械增强踝关节功能的基础科学研究来实现的,这是基础研究带来实用新设各的一个极好例子。”美国国家科学基金会(NSF)的项目主管Jordan Berg说。
    总体优异但仍有想瑕疵
    不过,这一研究也有为人所诟病之处,就是它只对正常人有效。Sawicki自己也说:“很多人都质疑我,为什么你反而想要节省能量呢?我们不是已经面临着肥胖问题了吗?”不过他还是觉得,这项技术还是会有些帮助,比如它会让原本懒得出门的人更愿意出门走动。
    此外,这款外骨骼的安全性能也是备受业界关注的,纵观可穿戴设备市场也许就会发现,参差不齐的各类产品让你应接不暇,外骨骼座椅、下肢步行外骨骼、可穿戴隐形椅……仅仅从表面上看,很难分辨出它们的具体不足。在此背景下,产品安全问题和可靠保障势必成为用户关心的重要因素。
    而对于Collins和Sawicki来说,他们的长期目标,就是要使用超轻、高教率的外骨骼帮助有行动障碍的人。
    “我们希望用这样的技术帮助行动不便的人们行走得更方便,例如中风后有后遗症的人,”Collins说,“我们离这一目标还有距离,但我们一定会努力尝试的。”
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