Учёные из США решили минимизировать риск падения на скользкой или неровной поверхности. Согласно результатам их исследования, опубликованного в журнале Science, ключом к достижению этой цели являются экзоботинки, которые могут реагировать быстрее, чем человек.
Когда люди поскальзываются или спотыкаются, их реакция на восстановление равновесия намного медленнее, чем у некоторых машин. Людям требуется время, чтобы мозг отправил сигнал в нервную систему, а затем активизировал мышцы. Роботы могут действовать намного быстрее, используя для передачи сигналов не нервы, а провода.
В ходе исследования специалисты пытались выяснить, могут ли экзоскелеты или протезы нижних конечностей с электроприводом улучшать равновесие.
Во время проведения эксперимента использовался моторизованный пол, чтобы буквально "выдёргивать коврик" из-под здоровых молодых участников, "роняя" их на землю. Испытуемых просили сохранять равновесие, но иногда они вынуждены были делать шаг, чтобы не упасть. Затем учёные запрограммировали экзоботинки таким образом, чтобы они помогали участникам удержаться на ногах либо с той же задержкой, что и их естественная реакция, либо быстрее, чем это возможно для человека, после чего сравнили результаты.
Эти экзоботинки позволят улучшить равновесие владельца и минимизировать риск падений. Лена Тинг, соавтор исследования
Специалисты обнаружили, что опережающий реакцию человека режим экзоботинок помогал участникам быстрее восстанавливать равновесие, не делая при этом шагов для сохранения баланса.
– С помощью УЗИ мы могли наблюдать, как под кожей растягиваются икроножные мышцы во время поскальзывания. Растяжение мышц генерирует важные сенсорные сигналы, которые необходимы нервной системе для инициации реакции баланса, пояснила Metro профессор биомедицинской инженерии и реабилитационной медицины Университета Эмори (США) и соавтор статьи Лена Тинг.
Исследование показало, что более быстрая, чем у человека, реакция экзоботинок фактически устраняла сигналы растяжения от икроножных мышц. При этом сигналы о необходимости сохранения равновесия мышцы продолжали посылать.
Это открытие подтверждает, что нервная система представляет собой нечто большее, чем просто набор рефлексов, реагирующих на локальное растяжение мышц, но действует, собирая информацию со всего тела, чтобы человек мог оставаться в вертикальном положении как стоя, так и при ходьбе.
Неудачные падения – главная причина получения травм с возрастом. Если учёные доведут свою разработку до ума, они смогут предотвратить падения и позволить людям дольше оставаться активными.
Различные виды экзоскелетов
Тазобедренные экзоскелеты
Honda разработала экзоскелет под названием Honda Walking Assist. Этот девайс имеет двигатели постоянного тока в каждом бедре. Усилие от двигателя передаётся на бедро пользователя через ремни, в результате чего получается лёгкий и удобный экзоскелет.
Коленный экзоскелет
В этом экзоскелете в качестве привода используется наполненная воздухом подушка. Надувная часть располагается за коленом пользователя. Подушка позволяет уменьшить вес экзоскелета. Для надувания и сдувания используется пневматическая система.
Экзоскелет лодыжки
Этот девайс предназначен для того, чтобы помочь пользователю переносить груз. В этом экзоскелете используется бесщёточный двигатель постоянного тока, размещённый на голени пользователя, а контроллер двигателя и батареи прикреплены к жилету.
Многошарнирный экзоскелет
Эти многосуставные экзоскелеты требуют более совершенной системы управления, чем односуставные, поскольку движения суставов должны контролироваться, чтобы была достигнута гармоничная походка.