[科普中國]-“私人定制”外骨骼助人省力行走

新華社華盛頓６月２２日電（記者林小春）在一些科幻電影中，主角穿上動力服秒變超級英雄。現(xiàn)在，科研人員研發(fā)出一種“私人定制”的外骨骼系統(tǒng)，能讓使用者更省力地行走。

在動物學(xué)領(lǐng)域，外骨骼是指位于動物體外的骨骼系統(tǒng)，比如螃蟹殼。而在科研領(lǐng)域，它主要用來增強(qiáng)人類的能力，例如增強(qiáng)士兵的戰(zhàn)斗力，協(xié)助癱瘓病人肢體行動或輔助癱瘓病人康復(fù)等。

據(jù)美國《科學(xué)》雜志２２日發(fā)表的一項(xiàng)新研究，美國卡內(nèi)基－梅隆大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員研制出一種穿戴在人體腳踝位置的外骨骼系統(tǒng)，單個腳踝使用能讓人在行走時的平均能耗減少近四分之一。

南開大學(xué)張娟娟副教授是這項(xiàng)研究的第一作者，主要工作是她在卡內(nèi)基－梅隆大學(xué)讀博士期間完成。據(jù)張娟娟介紹，每一個腳踝外骨骼由兩個以機(jī)械關(guān)節(jié)連接的固體支架組成，兩個支架分別對應(yīng)人的腳和小腿，機(jī)械關(guān)節(jié)對應(yīng)人體的踝關(guān)節(jié)。穿戴時，腳支架固定在人的鞋子外部，腿支架套在人的小腿外部，這樣就實(shí)現(xiàn)了外骨骼的機(jī)械關(guān)節(jié)與人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動的同步性。

當(dāng)人腳蹬地時，外骨骼的腿支架通過一條繩索拉動腳支架的后部，也就是人的腳后跟部分，從而在人腳踝上施加一個額外的扭矩，讓腳支架的前部即人的前腳掌部分蹬地力量得到增加，從而得到省力的目的。

張娟娟解釋說，人在行走過程中，向前運(yùn)動的主要推動力就是蹬地時地面對人腳的反作用力。根據(jù)牛頓第三定律，這個反作用力跟人腳的蹬地力量的大小是一樣的。這就是說，前腳掌蹬地力量增加，地面對人體的前推力隨之增大?！八裕?dāng)穿著這個外骨骼行走的時候，用戶的直觀感受是自己在被推著向前走”。

人與人之間個體差異非常大，完全相同的助力模式對某些用戶來說可能非常舒適，但對另外的用戶則可能會引起不適甚至疼痛。為了實(shí)現(xiàn)助力的個性化，他們通過一種數(shù)學(xué)算法找到了人體耗能最少即最省力的助力模式，不同用戶穿上這個外骨骼系統(tǒng)后會獲得不同的行走助力。

對１１個實(shí)驗(yàn)對象開展的單側(cè)腳踝外骨骼助力研究結(jié)果顯示，使用者的平均能耗降低了２４．２％，而之前領(lǐng)域內(nèi)的腳踝外骨骼助力的最好成績是１４．５％，且通過雙側(cè)腳踝外骨骼實(shí)現(xiàn)。而該系統(tǒng)在快速行走的雙側(cè)腳踝外骨骼實(shí)驗(yàn)中，能為實(shí)驗(yàn)對象降低３９％的能耗。

張娟娟說：“研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)了外骨骼對不同個體的自動、高效私人定制，也真正實(shí)現(xiàn)了外骨骼設(shè)計(jì)的初始目標(biāo)，即與人體良性互動?！?/p>

但她強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究仍處于初級階段，很多細(xì)節(jié)還待解決。例如，本研究實(shí)驗(yàn)中，助力優(yōu)化需要實(shí)驗(yàn)對象穿著外骨骼行走１小時，這個時間需進(jìn)一步縮短。

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