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碳纖維製成的外骨骼,讓你走起路來更輕盈!

作者andy910614@makerdiwo

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Photo Credit: Carnegie Mellon University College of Engineering

來自卡內基美濃大學和北卡羅來納州大學的研究員在《自然》(Nature)期刊上發表了不須能量的新型腳踝外骨骼,能使走路時消耗的新陳代謝量降低7%,大約等同於減輕了10磅的負重。

目前人類的走路方式已經演化成極有效率,在針對人類運動的模擬結果中發現,理論上來說可以不消耗能量的在地面上以穩定速度前進。但任何用雙腳工作的人或是有費力爬過山的人都知道案情並不單純,事實上,人一天花在走路上的力氣比其他活動還要多,特別是對於老人和那些行動不便的人來說,力氣是很珍貴的。

多年來,有許多工程師試圖設想出讓走路更輕鬆的系統,他們嘗試製造不需能量的外骨骼但都失敗了,也引起了關於「是否有可能在不仰賴外部能量的情形下提高走路效率」的熱烈討論。2007年時還是密西根大學研究生的史帝夫.柯林(Steve Collins)和格雷格.索威克(Greg Sawicki),兩人一同在白板上構想,並利用八年的耐心和累積的工作成果做出了這個裝置。

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腳踝外骨骼的機械離合器 Credit: Steve Collins

「走路遠比你想像得還要複雜,每個人都知道怎麼走路,但其實你並沒有意識到你是如何走路。」卡內基美濃大學的機械系助理教授柯林說。超音波圖研究顯示:小腿肌肉釋放出的能量不只用於使身體向前,如離合器般還能用來拉緊阿基里斯腱。柯林說:「研究顯示平常小腿肌進行踏腳的動作時,主要產生等量的張力且不做功,但仍用到了大量的代謝能量。這和再生制動相反,再生制動是你開車時每次要煞車,就踩一下油門、燃燒一點汽油。」

有了這個洞見,團隊創造出一種腳踝外骨骼能減輕小腿肌拉緊肌肉所施的力,降低整體的代謝率。機械離合器會於腳落地時咬合、腳離地時分開,以此避免影響擺盪期足尖的最小高度(toe clearance)。離合器取代小腿的施力,在沒有消耗任何能量的狀況下提供施力,以降低整體代謝率。

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格雷格‧索威克教授(Greg Sawicki)展示外骨骼裝置 Credit: Marc Hall, NC State University

在開發這項裝置的過程中,研究團隊面臨一項挑戰:當你在腿上裝置一個重物時,會出現一種初始損耗增加你的消耗。經過了數年與數代的改良設計,團隊開發出一種超輕的碳纖維設計,堅固且功能完備。整個裝置的單腳重量大約是一磅,甚至比一隻工作靴還輕。

美國國家衛生基金會的專案總監,喬丹·伯格(Jordan Berg)說:「透過基礎科學對於機械增強腳踝功能的研究,竟然能對走路這種人們如此熟悉的動作進行改善,這是基礎研究領導新輔具方向的絕佳案例!」

柯林和索威克的其中一項專案的長遠目標是,使用輕量、節能的外骨骼來輔助有行動方面困難的人。「我們希望這些設計能幫助中風過的人們能走得更輕鬆,雖然我們距離理想還有一段路要走,但我們絕對是努力往這個目標前進。」未來團隊會找有不同行動困難的人們來測試目前的裝置,藉此決定要怎樣修改設計以滿足不同的客群。他們也對於發展膝蓋和臀部的外骨骼裝置感到興趣,他們相信能為使用者創造更多的好處。

資料來源:Researchers improve efficiency of human walking (w/ video) [phys.org]

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本文內文引用自合作友站 makerdiwo 提供局部內容,完整內文請參考:原文連結

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