Последствия некоторых тяжелых травм не дают пережившим их людям нормально передвигаться. Чтобы преодолеть эту проблему, инженеры создают экзоскелеты — механические устройства, которые за счет внешнего каркаса и специальных приводов облегчают усилия, которые человек тратит при ходьбе. Перед разработчиками подобных устройств встает множество проблем, начиная с простых, например компактности и массы, и заканчивая очень специфическими. К последним можно отнести разную биомеханику, которая присуща ходьбе и бегу. Совместить ее в одном устройстве довольно сложно.
Начиная шаг (например, с правой ноги), человек касается пяткой поверхности, постепенно перенося на нее массу своего тела. Центр тяжести при этом движется вперед и вверх, достигая максимума в тот момент, когда правая нога выпрямлена и человек максимально на нее опирается. Затем, когда вперед уходит левая нога, центр тяжести движется вперед и вниз. При беге все наоборот: в момент опоры центр тяжести находится в самой нижней точке, а максимума достигает тогда, когда человек переносит свою массу с одной ноги на другую. Эти различия мешали инженерам создать экзоскелет, который эффективно помогал бы людям и ходить, и бегать.
Читайте также: Побудь в моей шкуре. Как костюмы помогают нам по-другому взглянуть на мир
Команда инженеров из Южной Кореи и США решила эту проблему. Разработанный ими экзокостюм помогает разгибать бедро, облегчая движение тазобедренного сустава. Он состоит из электропривода, системы гибких тросов и текстильных элементов, которые крепят весь костюм к телу человека. Масса экзокостюма — всего 5 килограммов, кроме того, вся она сосредоточена вблизи центра масс человеческого тела. Это позволяет гораздо удобнее использовать экзокостюм.
Управляющий всей системой алгоритм распознает, как именно движется человек, и в соответствии с этим передает команду в располагающийся на спине электропривод. Питающиеся от батареи электродвигатели в зависимости от фазы ходьбы или бега натягивают или отпускают специальные тросы, которые ведут к закрепленным на обеих ногах ремням. Благодаря этому создается внешний крутящий момент, помогающий бедру сгибаться или разгибаться.
Испытания на беговой дорожке, в которых участвовали девять добровольцев, показали, что благодаря экзокостюму при ходьбе со скоростью 1,5 м/с человек экономит 9,3% энергии, а при беге со скоростью 2,5 м/с — 4%. Это эквивалентно тому, если бы человек разом сбросил 7,4 или 5,7 килограмма.
Сейчас инженеры работают над тем, чтобы еще больше облегчить устройство, а также сделать его эффективнее и проще в эксплуатации. Такой экзокостюм может помочь как работникам травмоопасных производств, выполняющим физически тяжелую работу, так и людям, которым нужна реабилитация после травм.
Евгения Щербина