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“私人定制”外骨骼助人省力行走

2017年06月23日 15:00  来源:新华社  

  新华社华盛顿6月22日电(记者林小春)在一些科幻电影中,主角穿上动力服秒变超级英雄。现在,科研人员研发出一种“私人定制”的外骨骼系统,能让使用者更省力地行走。

  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。而在科研领域,它主要用来增强人类的能力,例如增强士兵的战斗力,协助瘫痪病人肢体行动或辅助瘫痪病人康复等。

  据美国《科学》杂志22日发表的一项新研究,美国卡内基-梅隆大学等机构研究人员研制出一种穿戴在人体脚踝位置的外骨骼系统,单个脚踝使用能让人在行走时的平均能耗减少近四分之一。

  南开大学张娟娟副教授是这项研究的第一作者,主要工作是她在卡内基-梅隆大学读博士期间完成。据张娟娟介绍,每一个脚踝外骨骼由两个以机械关节连接的固体支架组成,两个支架分别对应人的脚和小腿,机械关节对应人体的踝关节。穿戴时,脚支架固定在人的鞋子外部,腿支架套在人的小腿外部,这样就实现了外骨骼的机械关节与人体踝关节运动的同步性。

  当人脚蹬地时,外骨骼的腿支架通过一条绳索拉动脚支架的后部,也就是人的脚后跟部分,从而在人脚踝上施加一个额外的扭矩,让脚支架的前部即人的前脚掌部分蹬地力量得到增加,从而得到省力的目的。

  张娟娟解释说,人在行走过程中,向前运动的主要推动力就是蹬地时地面对人脚的反作用力。根据牛顿第三定律,这个反作用力跟人脚的蹬地力量的大小是一样的。这就是说,前脚掌蹬地力量增加,地面对人体的前推力随之增大。“所以,当穿着这个外骨骼行走的时候,用户的直观感受是自己在被推着向前走”。

  人与人之间个体差异非常大,完全相同的助力模式对某些用户来说可能非常舒适,但对另外的用户则可能会引起不适甚至疼痛。为了实现助力的个性化,他们通过一种数学算法找到了人体耗能最少即最省力的助力模式,不同用户穿上这个外骨骼系统后会获得不同的行走助力。

  对11个实验对象开展的单侧脚踝外骨骼助力研究结果显示,使用者的平均能耗降低了24.2%,而之前领域内的脚踝外骨骼助力的最好成绩是14.5%,且通过双侧脚踝外骨骼实现。而该系统在快速行走的双侧脚踝外骨骼实验中,能为实验对象降低39%的能耗。

  张娟娟说:“研究结果实现了外骨骼对不同个体的自动、高效私人定制,也真正实现了外骨骼设计的初始目标,即与人体良性互动。”

  但她强调,这项研究仍处于初级阶段,很多细节还待解决。例如,本研究实验中,助力优化需要实验对象穿着外骨骼行走1小时,这个时间需进一步缩短。

 编辑:[穆好强]
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