[視頻]「私人定製」外骨骼助人省力行走

在一些科幻電影中，主角穿上動力服秒變超級英雄。現在，科研人員研發出一種「私人定製」的外骨骼系統，能讓使用者更省力地行走。在動物學領域，外骨骼是指位於動物體外的骨骼系統，比如螃蟹殼。而在科研領域，它主要用來增強人類的能力，例如增強士兵的戰鬥力，協助癱瘓病人肢體行動或輔助癱瘓病人康復等。

據美國《科學》雜誌22日發表的一項新研究，美國卡內基－梅隆大學等機構研究人員研製出一種穿戴在人體腳踝位置的外骨骼系統，單個腳踝使用能讓人在行走時的平均能耗減少近四分之一。

南開大學張娟娟副教授是這項研究的第一作者，主要工作是她在卡內基－梅隆大學讀博士期間完成。據張娟娟介紹，每一個腳踝外骨骼由兩個以機械關節連接的固體支架組成，兩個支架分別對應人的腳和小腿，機械關節對應人體的踝關節。穿戴時，腳支架固定在人的鞋子外部，腿支架套在人的小腿外部，這樣就實現了外骨骼的機械關節與人體踝關節運動的同步性。

當人腳蹬地時，外骨骼的腿支架通過一條繩索拉動腳支架的後部，也就是人的腳後跟部分，從而在人腳踝上施加一個額外的扭矩，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，人在行走過程中，向前運動的主要推動力就是蹬地時地面對人腳的反作用力。根據牛頓第三定律，這個反作用力跟人腳的蹬地力量的大小是一樣的。這就是說，前腳掌蹬地力量增加，地面對人體的前推力隨之增大。「所以，當穿著這個外骨骼行走的時候，用戶的直觀感受是自己在被推著向前走」。

人與人之間個體差異非常大，完全相同的助力模式對某些用戶來說可能非常舒適，但對另外的用戶則可能會引起不適甚至疼痛。為了實現助力的個性化，他們通過一種數學演算法找到了人體耗能最少即最省力的助力模式，不同用戶穿上這個外骨骼系統後會獲得不同的行走助力。

對11個實驗對象開展的單側腳踝外骨骼助力研究結果顯示，使用者的平均能耗降低了24.2%，而之前領域內的腳踝外骨骼助力的最好成績是14.5%，且通過雙側腳踝外骨骼實現。而該系統在快速行走的雙側腳踝外骨骼實驗中，能為實驗對象降低39%的能耗。

張娟娟說：「研究結果實現了外骨骼對不同個體的自動、高效私人定製，也真正實現了外骨骼設計的初始目標，即與人體良性互動。」

但她強調，這項研究仍處於初級階段，很多細節還待解決。例如，本研究實驗中，助力優化需要實驗對象穿著外骨骼行走1小時，這個時間需進一步縮短。

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