可穿戴設備，讓走路更省力？
經過萬年的進化，人類在行走方面已經極為高效了。對人體運動的模擬顯示，人在平地上勻速行走，理論上不需要任何能量輸入。
然而，工作中需要走大量路的人或者曾經進行過艱苦遠足的人都不會這麼覺得。事實上，日常生活中，人們在走路上所花的能量比一天中其他任何活動都多，而對於老年人或者行動不便的人們來說則更是如此。
幾十年來，工程師一直都在設想能設計出怎樣的系統來讓走路變得更容易。許多研究者都試圖製造無動力的「外骨骼」（exoskeleton）來幫助人們行走，但是都失敗了，以至於該領域內很多人都認為不額外輸入能量是不可能再增加行走效率的了，引起了激烈的爭論。
然而，根據昨天《自然》雜誌的報道，卡內基梅隆大學與北卡羅來納州立大學的研究者已經發明出了一種無動力的踝關節外骨骼，可以減少行走過程中7%的代謝值。這個結果意味著什麼呢？它相當於你從身上卸下一個10磅（約4.5千克）的負載，跟電動外骨骼的節省的能量相當。
「這在輔助設備領域絕對是激動人心的里程碑事件。」布朗大學的生態學家與演化生物學家托馬斯?羅伯茨說，他是運動生物力學領域的專家，並沒有參與這項研究。他還說，「他們製造出一種輔助設備，降低了人類在走路上的消耗。這是一件很了不起的事，因為走路本身效率已經非常高了，而他們用一種簡單而聰明的辦法在此基礎上繼續提高了效率。」
這一設備的研發經過了8年耐心而循序漸進的工作。早在2007年Steve Collins和Greg Sawicki一塊兒在密歇根大學當研究生的時候，他們就在研究室的白板上籌劃著這一研究了。
「走路比你想像的要複雜得多，」現任卡內基梅隆大學機械工程系助理教授的Collins說，「我們每個人都會走路，但你其實並不真正了解走路。」
在過去的眾多嘗試都失敗了的情況下，Collins、Sawicki和文章的共同作者 M. Bruce Wiggin最終取得了成功。他們對人類行走的生物力學進行了仔細的分析，並設計了一個簡單、超輕的設備來放鬆小腿肌肉，設備本身並不作有效功。
超聲波成像研究表明，小腿肌不僅僅在推動身體前進的時候施加能量，它也起著一個離合器的作用，以保持跟腱緊繃。
研究表明，小腿肌肉是等長收縮來產生力的，因此在著地的過程中，雖然並不做功，還是需要消耗大量的代謝能量。Collins解釋道：「這就跟混合動力汽車的再生制動（regenerative braking）相反， 再生制動是把剎車時動能的減小轉化成電能儲存起來，但這就像你每次踩剎車踏板的時候都要多消耗一點汽油一樣。」
有了這個想法，他們就發明出了這種新的踝關節外骨骼，可以在部分程度上放鬆小腿肌肉，減小整體的代謝消耗速率。
一個機械的離合器在腳著地時嚙合、在腳抬起時鬆開，以避免干擾行走節奏。這個離合器部分代替了小腿肌肉的工作，在不額外消耗能量的情況下產生了力，從而減小了總體的代謝率。
在研發這一設備的過程中，研究小組遇到的一個挑戰就是把重物附加到腿上不可避免地會增加能量消耗，而之前其他小組正是倒在了這一點上。因此，減輕該設備的重量是至關重要的。
在數年間，經過多次嘗試，研究小組終於發現了一種超輕、然而堅固且功能強大的碳纖維設計。整個器械的重量只有1磅（合0.45千克）左右，比一隻工作靴還輕。
專家們一致認為，這一設備代表了「優美、簡潔的生物干預對過度複雜的工業設計的偉大勝利」。
「這一出乎意外而又史無前例的結果告訴我們，人們對像走路這樣熟悉的活動都還能有提升空間。這一結果是通過對機械增強踝關節功能的基礎科學研究來實現的，這是基礎研究帶來實用新設備的一個極好例子。」美國國家科學基金會（NSF）的項目主管Jordan Berg說。
不過，這一研究也有為人所詬病之處，就是它只對正常人有效。Sawicki自己也說：「很多人都質疑我，為什麼你反而想要節省能量呢？我們不是已經面臨著肥胖問題了嗎？」不過他還是覺得，這項技術還是會有些幫助，比如它會讓原本懶得出門的人更願意出門走動。
而Collins和Sawicki的長期目標，當然是使用超輕、高效率的外骨骼幫助有行動障礙的人。
「我們希望用這樣的技術幫助行動不便的人們行走得更方便，例如中風後有後遺症的人，」Collins說，「我們離這一目標還有距離，但我們一定會努力嘗試的。」
（編譯：丁家琦；via phys & Nature）
原文鏈接：http://phys.org/news/2015-04-nature-device-efficiency.html
http://www.nature.com/news/exoskeleton-boots-improve-on-evolution-1.17237
《自然》發表的論文鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14288.html
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