Пассивный экзоскелет превратили в носимый генератор

Канадские инженеры разработали пассивный экзоскелет ног, который помогает ногам тормозить во время фазы переноса и тем самым снижает энергозатраты человека в среднем на 2,5 процента. Одновременно с этим экзоскелет выступает как генератор, вырабатывая 0,25 ватт.

Статья опубликована в Science.

Чаще всего под экзоскелетом понимают устройство, надеваемое на все тело и расширяющее его возможности, но есть много исследований, посвященных экзоскелетам отдельных конечностей, как правило, ног. Они различаются по предназначению: обычно разработчики пытаются уменьшить метаболические затраты человека на ходьбу или бег, но есть и экзоскелеты для ускорения ходьбы. Для снижения нагрузки используют пассивные конструкции, которые либо связывают движения ног и переносят энергию между фазами ходьбы, либо самостоятельно помогают в определенные фазы, а также активные, которые делают это при помощи электромоторов или других актуаторов. Также есть работы, в которых экзоскелет использовали для выработки электричества из ходьбы.

Группа канадских инженеров под руководством Майла Шепертицкого (Michael Shepertycky) и Цинго Ли (Qingguo Li) из Университета Куинс в Кингстоне совместили преимущества предыдущих устройств, разработав пассивный экзоскелет, снижающий метаболические затраты на ходьбу и вырабатывающий энергию.

Компоненты экзоскелета. Michael Shepertycky et al. / Science, 2021

Экзоскелет закреплен на лямках от рюкзака и надевается на спину, а его масса составляет чуть более чем один килограмм. От него вниз отходят два троса, которые крепятся на ногах выше лодыжки. Со стороны экзоскелета тросы крепятся к катушкам с муфтой свободного хода и спиральной пружиной, стремящейся вернуть трос после размотки катушки. Катушки также соединены с общим генератором, который вырабытывает во время их вращения электрический ток.

Во время фазы переноса нога разматывает катушку и тем самым раскручивает генератор. Также в этот момент экзоскелет усиливает разгибающий момент в колене и помогает ноге тормозить в финальной части фазы переноса, способствуя эксцентрическому сокращению мышц. А во время фазы опоры из-за муфты свободного хода нога не испытывает почти никакого влияния экзоскелета и тросы свободно наматываются на катушку под действием пружин.

Исследователи провели испытания экзоскелета на 10 добровольцах, которые ходили по беговой дорожке и без нее, а также надевали датчик измерения интенсивности дыхания, позволяющим определить метаболические затраты. Испытания показали, что экзоскелет в среднем снизил метаболические затраты на 2,5 ± 0,8 процента по сравнению с обычной ходьбой без его помощи. Одновременно с этим он вырабатывал электрический ток, мощность выработки составила 0,25 ± 0,02 ватт. Также авторы протестировали другой режим ходьбы, при котором мощность составила 0,53 ± 0,03 ватт, но в таком случае метаболические затраты повышались по сравнению с ходьбой без экзоскелета.