Ingeniører finder ankeleksoskelethjælpemidler kørende

Løb er fantastisk motion, men ikke alle har det godt med det. I håb om at øge den fysiske aktivitet - og muligvis skabe en ny transportform - studerer ingeniører ved Stanford University enheder, som folk kan spænde fast til deres ben for at gøre løb lettere.

I eksperimenter med motordrevne systemer, der efterligner sådanne enheder - kaldet exoskeleton-emulatorer - undersøgte forskerne to forskellige måder at køre assistance på:motordrevet assistance og fjederbaseret assistance. Resultaterne, udgivet 25. marts i Videnskab robotik , var overraskende.

Alene handlingen med at bære en eksoskelet rig, der var slukket, øgede energiomkostningerne ved at køre, gør det 13 procent sværere end at løbe uden eksoskelettet. Imidlertid, forsøgene viste, at hvis det er korrekt drevet af en motor, exoskelettet reducerede energiomkostningerne ved at køre, gør det 15 procent nemmere end at løbe uden eksoskelettet og 25 procent nemmere end at løbe med eksoskelettet slukket.

I modsætning, undersøgelsen antydede, at hvis eksoskeletet blev drevet til at efterligne en fjeder, var der stadig en stigning i energibehovet, gør det 11 procent sværere end at køre exoskelet-frit og kun 2 procent nemmere end det ikke-drevne exoskelet.

"Når folk løber, deres ben opfører sig meget som en fjeder, så vi var meget overraskede over, at forårslignende assistance ikke var effektiv, " sagde Steve Collins, lektor i maskinteknik ved Stanford og seniorforfatter af papiret. "Vi har alle en intuition om, hvordan vi løber eller går, men selv førende videnskabsmænd opdager stadig, hvordan den menneskelige krop tillader os at bevæge os effektivt. Det er derfor, at eksperimenter som disse er så vigtige."

Hvis fremtidige designs kunne reducere energiomkostningerne ved at bære eksoskelettet, løbere kan få en lille fordel af fjederlignende assistance ved anklen, som forventes at være billigere end motordrevne alternativer.

Styrker dit skridt

Rammen på ankel-eksoskeleton-emulatoren spænder rundt om brugerens skinneben. Den fastgøres til skoen med et reb, der er sløjfet under hælen og en kulfiberstang indsat i sålen, nær tåen. Motorer, der er placeret bag løbebåndet (men ikke på selve exoskeletet) producerer de to former for assistance - selvom et fjederbaseret exoskelet faktisk ikke ville bruge motorer i det endelige produkt.

Som navnet antyder, den fjederlignende tilstand efterligner indflydelsen af ​​en fjeder, der løber parallelt med læggen, lagre energi under begyndelsen af ​​skridtet og aflæsse denne energi, mens tæerne skubber af. I tændt tilstand, motorerne trækker et kabel, der løber gennem bagsiden af ​​eksoskelettet fra hælen til læggen. Med handling svarende til et cykelbremsekabel, den trækker opad under tå-off for at hjælpe med at forlænge anklen ved slutningen af ​​et løbetrin.

"Driv assistance tog meget af lægmusklernes energibyrde. Det var meget fjedrende og meget hoppende sammenlignet med normalt løb, " sagde Delaney Miller, en kandidatstuderende ved Stanford, som arbejder på disse eksoskeletoner og også hjælper med at teste enhederne. "At tale af erfaring, det føles rigtig godt. Når enheden yder den hjælp, du føler, at du kan løbe for evigt."

Elleve erfarne løbere testede de to assistancetyper, mens de løb på et løbebånd. De gennemførte også test, hvor de bar hardwaren uden at nogen af ​​hjælpemekanismerne var slået til.

Hver løber skulle vænne sig til eksoskeleton-emulatoren før testning - og dens funktion blev tilpasset til at imødekomme deres gangcyklus og faser. Under selve testene, forskerne målte løbernes energiudbytte gennem en maske, der sporede, hvor meget ilt de åndede ind, og hvor meget kuldioxid de åndede ud. Tests for hver type assistance varede seks minutter, og forskerne baserede deres resultater på de sidste tre minutter af hver øvelse.

De energibesparelser, som forskerne observerede, indikerer, at en løber, der bruger det drevne eksoskelet, kan øge deres hastighed med så meget som 10 procent. Det tal kan være endnu højere, hvis løbere har ekstra tid til træning og optimering. I betragtning af de betydelige gevinster, forskerne mener, at det burde være muligt at forvandle det drevne skelet til en effektiv ubundet enhed.

Fremtiden

Ved at yde fysisk støtte, selvtillid og muligvis øget hastighed, forskerne mener, at denne form for teknologi kan hjælpe mennesker på forskellige måder.

"Man kan næsten tænke på det som en transportform, " sagde Guan Rong Tan, en kandidatstuderende i maskinteknik, der, ligesom Miller, fortsætter denne forskning. "Du kunne stå af en bus, slag på et eksoskelet, og tilbagelægge de sidste en til to miles til arbejde på fem minutter uden at svede."

"Dette er de største forbedringer i energiøkonomien, som vi har set med enhver enhed, der bruges til at hjælpe med at løbe, " sagde Collins. "Så, du vil sandsynligvis ikke være i stand til at bruge dette til en kvalifikationstid i et løb, men det kan give dig mulighed for at følge med dine venner, der løber en smule hurtigere end dig. For eksempel, min yngre bror løb Boston Marathon, og jeg ville elske at kunne holde trit med ham."