機械外骨骼幫助人類更好的運動
2021-02-24 醫學新視點
機械外骨骼是很多人類的夢想，可以讓你變得更加強大和有力，成為拯救世界的英雄。
現在，很多機械外骨骼開始接近普通人的生活。研發人員希望外骨骼可以幫助那些需要長時間走路的人和由於疾病而影響走路功能的人，減輕身體的疲勞。
每一步的踏出都在消耗身體的能量，但是，現有的很多機械外骨骼並不完美，甚至使得穿戴者更加疲勞。
這個問題是雙重的：不但這些剛性外骨骼沉重，而且它們很難與人體關節匹配，使得穿戴者行動扭曲和不自然。
所以，解決方案來了！
一種軟性機械外骨骼穿戴設備也許可以解答目前的兩個難題，輕便而且關節匹配度很高，並且可以成功的將代謝的消耗降低高達23個百分點。
人體進化了行走這個功能系統，需要很多肌肉的支撐和配合。當這個系統在正確的工作時，它是非常高效的。
「當一個人患了某些疾病，例如帕金森、中風或者腦麻痺，他們會發展出一種病理性步態，身體會嘗試調整姿態用另外一種方式來行走，」哈佛生物設計實驗室研究生Brendan Quinlivan 指出。
例如中風，很多患者發展為「掉腳」的姿態，他們很難抬起腳。「他們通過另一種姿態作為補償，就是繞圈式擺動他們的足部，來替代正常的直線行走」，Quinlivan說。
仿生設計機器外骨骼的目的是使一個人的身體缺陷得到補償，幫助那些需要協助走路的人群。
「腳踝向下推動需要底層肌肉的力量，」Quinlan說。在生理學中，踝關節的推動稱為背屈。他同他的同事們希望通過外部裝備來模擬這一過程。因而，他們使用鋼索、特殊的靴子和小牛皮帶將使用者的腳踝連接到它們的小腿後面。
但是腳踝僅僅提供力量，一個有效的步幅需要所有熊膝蓋到髖部的肌肉和肌腱來穩定整個下肢。這就是為什麼要加臀帶的原因，每條腿兩個，呈螺旋狀從大腿前面到小腿背面。
作為生物連通性的最後一點，研究者加了傳感器來檢測佩戴者運動的巔峰時刻，這樣系統可以校準輔助設備，在一個完美的時刻發送適當的力量援助。
一旦設計固定下來，研究人員就開始進行試驗了。他們選定了7位健康的受試者，穿戴好裝備在跑步機上進行測試。研究人員通過呼吸面罩測定（測量吸入的氧與呼出的二氧化碳的平衡）他們的基礎代謝率。試驗在機械外骨骼提供輔助的4個水平進行，輔助範圍從腳踝每走一步所需力量的10到38%。在最低水平時，外骨骼為穿戴者節約僅4個百分點的代謝消耗。當啟動其他幾個水平的輔助功能時，節約的代謝消耗從4%戲劇性的接近了高達23%的比率。
此類能量節約的裝備還存在一些待進一步改進的問題。其一，穿戴者沒有穿戴發動機和電池來驅動機器。如果佩戴了一個裝了電源的臀包，那麼只有2.2磅的超輕外骨骼就要成為一個有17磅重的負擔。
大家都在等待電池和電機會輕盈起來的同時，研究人員依然致力於弄清楚外骨骼如何能減少代謝。腳踝的支撐可以使穿戴者巧妙的改變他們的行走方式，這可能使得整體動作更高效一些。
「因此，我們不確定代謝的變化是來自步態的改變，還是來自我們的輔助，」哈佛生物設計實驗室的另一名人員Sangjun Lee指出。
一旦他們可以弄清楚機理，確認這項應用可以幫助那些需要輔助的人。
Quinlivan 談道，「其中一個重要的應用是幫助士兵做50-100公裡的負重。我們如何減少他們的代謝消耗、疲勞、肌肉的磨損和撕裂？」
消防員、工人和其他體力勞動者也可以從中獲益。
讓機器外骨骼幫助人類超越自己，引領提高的變革。
參考資料：
[1] Soft Robot Exosuits Will Give You Springier Steps
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