Nature：新型外骨骼让走路更轻松

最近，科学家研制出一种简单的、用弹簧和棘轮机制操纵的靴子，是第一种不需要电源辅助（如电池）而使步行更节能的装置。

与穿普通鞋子的人相比，穿这种靴子走路的人，可少花费7%的能量，该装置的发明者在四月一日的《自然》（Nature）杂志报道了这一成果。这听起来好像不多，但人体力学已经在数百万年的演化中形成，一些专家认为，人体运动有进一步提高的空间。

美国范德堡大学的机械工程师Michael Goldfarb，从事开发外骨骼，以帮助残疾人，他指出：“这是第一次让我知道，一种被动系统可以减少行走过程中的能量消耗。”

这项研究的共同作者、北卡罗来纳州立大学生物医学工程师和运动生理学家Gregory Sawicki说，早在19世纪90年代，发明家们就试图通过使用橡胶带这样的设备，来提高行走的效率。最近，工程师们研制出无动力的外骨骼，使人们能够做一些任务，如举起较重的东西，但不会减少能源的消耗。（生物机械技师还在争论，因南非短跑运动员Oscar Pistorius而著名的跑步“刀片”是否比人脚更有效。）

动力工具

对于他们的装置，Sawicki和他的同事建立了一种类似人类生理学的机制。当一个人摆动腿向前走去时，弹性能量主要储存在他们机腿的跟腱。当机腿腿的脚推到地面，脚跟离开时，能量被释放，从而推动身体前进。Sawicki说：“从根本上说，在我们脚踝中有一个弹弓。”

为了有效地把弹性能量存储在跟腱，上方的小腿后肌必须抵抗拉伸自己。步行需要的很多能量，被消耗在“锁定的”小腿后肌，从而防止它们伸展。西蒙 弗雷泽大学神经机械技师Max Donelan说，这是肌肉生理学一个固有的低效率。他说，机械离合器有超过肌肉的优势，因为它们可锁定到位，而不会消耗能量。

研究人员开发的骨骼结构，用轻质的碳基材料建造而成，有一个弹簧，将脚后部与膝盖后面连接起来，在那里它附着有一个机械离合器。当跟腱正在拉伸时，离合器就开始运行，弹簧不是像一个额外的肌腱，而是伸展并有助于储存能量。当机腿向下推时，释放弹性能量，离合器释放并吸收弹簧中的松弛，为下一个周期做准备。

该研究小组已经尝试这一发明很多年，但最近才能够将其重量减至低于半公斤/腿，足以提供一个净能量效益。

上坡的战斗

Goldfarb说，一个潜在的障碍是，7%的效率提升仅适用于在水平地面上的正常步行速度。本文共同作者、卡内基梅隆大学生物力学工程师Steven Collins说，他的团队目前正在更广泛的条件中测试该装置。但是他说，从他的穿着经验来看，这种靴子似乎很有前景。“从主观上说，在山上、横坡、通过树根、上楼梯等等，感觉都很好。”

研究人员计划尝试“聪明”的离合器，有嵌入式电子装置，调整释放的时间，以响应一个人的走路风格，或许也能适应倾斜地形。他们也希望能够与运动服装公司合作，把他们的想法变成一种商业产品，他们希望这种产品的价格将少于一双滑雪靴的价格。他说：“我认为那是目标——使产品的价格合理。”一个重要的应用是，这种装置可以帮助改善那些中风后的人们的行走能力。

但是，从公共健康的角度来看，使走路更容易是最好的方式吗？Sawicki说：“我经常遇到这个问题。你为什么要减少能量？我们不是有肥胖问题吗？”但他认为，成本与效益之间的平衡可能提示无论哪种方式，如果它能给那些行走困难的人带来激励，那么就具有正面作用。“对于一个65岁的活跃的人来说，这种装置确实可以延长他们的活动年限。”

来源：生物通

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