“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(dòng)力服秒變超級(jí)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(dòng)物學(xué)領(lǐng)域，外骨骼是指位于動(dòng)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(lái)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(dòng)或輔助癱瘓病人康復(fù)等。

據(jù)美國(guó)《科學(xué)》雜志22日發(fā)表的一項(xiàng)新研究，美國(guó)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(gè)腳踝使用能讓人在行走時(shí)的平均能耗減少近四分之一。

南開(kāi)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(gè)腳踝外骨骼由兩個(gè)以機(jī)械關(guān)節(jié)連接的固體支架組成，兩個(gè)支架分別對(duì)應(yīng)人的腳和小腿，機(jī)械關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)人體的踝關(guān)節(jié)。穿戴時(shí)，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(dòng)的同步性。

當(dāng)人腳蹬地時(shí)，外骨骼的腿支架通過(guò)一條繩索拉動(dòng)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(gè)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(shuō)，人在行走過(guò)程中，向前運(yùn)動(dòng)的主要推動(dòng)力就是蹬地時(shí)地面對(duì)人腳的反作用力。根據(jù)牛頓第三定律，這個(gè)反作用力跟人腳的蹬地力量的大小是一樣的。這就是說(shuō)，前腳掌蹬地力量增加，地面對(duì)人體的前推力隨之增大。“所以，當(dāng)穿著這個(gè)外骨骼行走的時(shí)候，用戶的直觀感受是自己在被推著向前走”。

人與人之間個(gè)體差異非常大，完全相同的助力模式對(duì)某些用戶來(lái)說(shuō)可能非常舒適，但對(duì)另外的用戶則可能會(huì)引起不適甚至疼痛。為了實(shí)現(xiàn)助力的個(gè)性化，他們通過(guò)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(gè)外骨骼系統(tǒng)后會(huì)獲得不同的行走助力。

對(duì)11個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象開(kāi)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(jī)是14．5％，且通過(guò)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(duì)象降低39％的能耗。

張娟娟說(shuō)：“研究結(jié)果實(shí)現(xiàn)了外骨骼對(duì)不同個(gè)體的自動(dòng)、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(dòng)。”

但她強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究仍處于初級(jí)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(duì)象穿著外骨骼行走1小時(shí)，這個(gè)時(shí)間需進(jìn)一步縮短。