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首款可移除能量的外骨骼问世,降低步行新陈代谢同时发电 独家解析
送交者: hgao[♂★★★★声望勋衔18★★★★♂] 于 2021-06-01 20:49 已读 1941 次  

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近日,广东疫情 “抬头”,不少医护人员加班加点给市民做核酸检测,甚至夜间冒雨也在继续站立工作。

  不只是广东,疫情期间很多国家和地区的医护人员都需长时间站立。即便在正常时期,经常有大夫和护士要连续做几台手术,往往一站就是十几个小时。

  


  图 | 夜间冒雨给市民做核酸检测的医护人员(来源:微博用户 @淼哥故事会)

  那么是否有一种设备,能让医生站立时更省力呢?

  近日,来自加拿大安大略省金斯敦皇后大学的两位华人科学家 Qingguo Li 和 YanFei Liu,联合开发出一种轻型外骨骼,该外骨骼重约 1.5 磅(约 0.68 公斤),外形非常紧凑,可放入普通背包。

  



  图 | 行走中的外骨骼佩戴者(来源:Queen’s University Faculty of Engineering and Applied Science)

  最大创新点:首次使用类似原理

  使用时,两条细缆沿着身体缠绕在双腿上,背包上挂着两根细绳缆,腿上有带子。当一只脚向前行走时,其中一根绳缆会让发电机旋转,这时会产生少量阻力,从而缓解膝关节大腿肌肉的紧张并促进行走。

  



  图 | 外骨骼(来源:Queen’s University Faculty of Engineering and Applied Science)

  在跑步机上对受试者进行的测试显示,该设备将步行所需的代谢努力减少了 3.3%。

  



  图 | 外骨骼(来源:Science)

  研究人员认为,该外骨骼还有望协助跑步。由于比较轻,因此把外骨骼放在背包中,就算走远路也不会感到疲倦。

  



  图 | 佩戴者做测试(来源:Queen’s University Faculty of Engineering and Applied Science)

  据悉,该研究由加拿大安大略省金斯敦皇后大学机械和材料工程教授 Qingguo Li 和该校电气和计算机工程系教授 YanFei Liu 参与完成,他们分别以第一作者身份和第二作者身份,在Science 发表了以《用外骨骼去除能量可降低步行的代谢成本》(Removing energy with an exoskeleton reduces the metabolic cost of walking)为题的论文。值得注意的是,Qingguo Li 本科和硕士就读于西北工业大学飞行器制造工程系和自动控制系,YanFei Liu 曾于此前在浙江大学电气工程系获得学士和硕士学位。

  



  图 | 相关论文和两位华人科学家,黑衣者为 Qingguo Li,白衣者为 YanFei Liu(来源:Science)

  研究人员表示 “我们第一次证明提取能量可以提高步行效率”,并称这是 “外骨骼开发领域的重要进步”。

  MIT 媒体实验室生物机械电子组的博士后杨兴帮告诉 DeepTech:“该研究的‘助力’原理比较新颖,也是能发 Science 的原因之一。亮点在于通过外骨骼移除步态周期的部分多余能量实现“助力”从而减少新陈代谢,而目前大部分外骨骼基本是通过提供主动能量输入的方式来实现助力的。”

  



  (来源:Science)

  当我们用双足行走时,从一只脚着地、到同一只脚再次着地的一系列步骤叫做 “行走周期”。当前,大多数外骨骼只能将能量从步态周期的 a 阶段转移到 b 阶段。

  而该团队发明的装置,可在每次的 “行走周期” 的最后阶段、也就是在双腿向前行走的最后阶段消耗能量,即在你的脚 “最后挥杆” 并开始触及地面的阶段时可帮助减少膝关节盖肌肉的负担。

  研究人员表示,步行是一个精细化的过程,而在步行时从下肢去除能量听起来似乎违反常理。但其实在走路时,我们的肌肉会自然地去除能量,而外骨骼的好处在于可帮助肌肉去除能量。

  



  图 | 佩戴者做测试(来源:Queen’s University Faculty of Engineering and Applied Science)

  可从人体自然步态中收集机械能

  外骨骼主要由绳缆和旋转发电机组成,绳缆主要由两大用处,一方面可通过线束连接到小腿,另一方面可向上延伸并连接到输入滑轮。

  当膝关节盖摆动并向前伸展时,输入缆线会松开,这时输入皮带轮即可得到驱动。滑轮、齿轮系以及滚柱离合器的结合使用,可将绳缆的线性运动转换为旋转运动,并能同时放大和整合绳缆的运动。

  当人站立时,离合器会把输入皮带轮和齿轮系分离,并通过复位弹簧将绳缆收集到输入皮带轮上。离合器的存在,还能使外骨骼只在摆动期间施加机械负荷;而在站立期间,下肢可以摆脱外骨骼的束缚。此时,发电机的反电动势(counter emf)可将机械负载施加到输入绳缆,进而施加到佩戴者身上。

  



  图 | 外骨骼(来源:Queen’s University Faculty of Engineering and Applied Science)

  研究人员发现,人在步行过程中,当一只脚在空中时,膝关节的作用就像刹车一样。肌肉可以充当电动机,并输出正向机械功率,这时外骨骼可将新陈代谢动力转换为机械能,效率为 25%。而在制动时,则会输出负机械功率,效率为 125%。

  膝盖外骨骼的设计是该设备的核心,以肌肉为中心的膝盖外骨骼阻力控制,可以减少腿部摆动周期后期的主动肌肉力量,从而步态周期中提取机械能,并将其转换为电能。

  在肌肉充当电动机时,它可提供 1.7W 的机械功率,可产生 1W 的电能,这时外骨骼的转换效率为 60%,即佩戴者需要消耗 6.8 W 以上的新陈代谢功率。

  但是外骨骼在制动时,佩戴者只需消耗 0.7 W 的代谢能,就能产生 1W 的机械能。故此,这款外骨骼可从人体自然步态中收集机械能,并将其转换为可用的电能,且能减少佩戴者的代谢能消耗。

  在 10 名健康男性用户中,这种方法将步行的代谢成本降低了 3.3%,同时还将移除的能量转换为每个步态周期大约 0.25 W 的电能。

  杨兴帮总结称,该外骨骼结构与其他的线驱动外骨骼类似,采用能量移除原理减少新陈代谢消耗,为该研究的最大的创新之处。

  该团队也表示,当前的外骨骼技术,要么是增加能量,要么将其从步态周期的一个阶段转移到另一个阶段,而本次的外骨骼可通过在关键时刻(称为最终摆动阶段)去除有助于膝部肌肉的能量来帮助佩戴者。

  “由于其科学和实际意义,改善步行和跑步经济性一直是过去二十年的重要研究课题,”该论文的合著者 Qingguo Li 说。“步行是一个精细且高度优化的过程,这使得很难使用外骨骼来提高步行效率。”

  



  图 | 相关原理(来源:Queen’s University Faculty of Engineering and Applied Science)

  杨兴帮还告诉 DeepTech,人在行走时的步态后期,有很大一部分能量会耗散掉。比如脚触地时会损失一部分能量,而通过外骨骼可以移除摆动段的部分能量,从而减少新陈代谢。

  此外,外骨骼把主要重量放在后背,主要是为了减小腿部重量。如果把驱动结构、传感结构等重量较大的结构放在腿上,就会增加人体末端的新陈代谢。另据悉,这款外骨骼在卸除能量时,采用了主动控制的方法,其优势在于可控制力的大小和力的规律。

  



  图 | 净代谢率(来源:Science)

  目前,研究人员正在尝试给外骨骼提供一种额外功能,即设计一种可将佩戴者的步行能量转化为电能的背包,它能把佩戴者步态中去除的能量,转化为电能去给背包控制系统、手机或其他移动设备供电。目前,它产生的电能还不足以为夜灯充电,因此还需继续进行迭代。

  2012 年,中国成都当地首个关注教师足部健康的调查结果发布,97.5% 的受访者因为长时间站立工作,感到腿部或足部不适,58.5% 受访者表示这种不适会在下班后持续。

  他们最受困扰的部位分别是脚底、腰部和腿部,主要表现为疼痛、疲乏和酸。然而在当时,只有 35% 的人会寻找骨科或康复科的专业帮助。

  9 年过去了,针对教师和医生等需要长期站立工作的群体,依然没有预防相关不适更好办法。如果外骨骼可以普及开,价格也比较划算,或许全世界站立工作者群体的“职业病”都有望得到缓解。

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