Nature：新型外骨骼让走路更轻松

最近，科学家研制出一种简单的、用弹簧和棘轮机制操纵的靴子，是第一种不需要电源辅助（如电池）而使步行更节能的装置。该装置的发明者在四月一日的《自然》（Nature）杂志报道了这一成果。

　　

生物通报道：最近，科学家研制出一种简单的、用弹簧和棘轮机制操纵的靴子，是第一种不需要电源辅助（如电池）而使步行更节能的装置。延伸阅读：Science：国际团队利用钓鱼线研制出强大人工肌肉。

与穿普通鞋子的人相比，穿这种靴子走路的人，可少花费7%的能量，该装置的发明者在四月一日的《自然》（Nature）杂志报道了这一成果。这听起来好像不多，但人体力学已经在数百万年的演化中形成，一些专家认为，人体运动有进一步提高的空间。

美国范德堡大学的机械工程师Michael Goldfarb，从事开发外骨骼，以帮助残疾人，他指出：“这是第一次让我知道，一种被动系统可以减少行走过程中的能量消耗。”

这项研究的共同作者、北卡罗来纳州立大学生物医学工程师和运动生理学家Gregory Sawicki说，早在19世纪90年代，发明家们就试图通过使用橡胶带这样的设备，来提高行走的效率。最近，工程师们研制出无动力的外骨骼，使人们能够做一些任务，如举起较重的东西，但不会减少能源的消耗。（生物机械技师还在争论，因南非短跑运动员Oscar Pistorius而著名的跑步“刀片”是否比人脚更有效。）

动力工具
对于他们的装置，Sawicki和他的同事建立了一种类似人类生理学的机制。当一个人摆动腿向前走去时，弹性能量主要储存在他们机腿的跟腱。当机腿腿的脚推到地面，脚跟离开时，能量被释放，从而推动身体前进。Sawicki说：“从根本上说，在我们脚踝中有一个弹弓。”

为了有效地把弹性能量存储在跟腱，上方的小腿后肌必须抵抗拉伸自己。步行需要的很多能量，被消耗在“锁定的”小腿后肌，从而防止它们伸展。西蒙•弗雷泽大学神经机械技师Max Donelan说，这是肌肉生理学一个固有的低效率。他说，机械离合器有超过肌肉的优势，因为它们可锁定到位，而不会消耗能量。

研究人员开发的骨骼结构，用轻质的碳基材料建造而成，有一个弹簧，将脚后部与膝盖后面连接起来，在那里它附着有一个机械离合器。当跟腱正在拉伸时，离合器就开始运行，弹簧不是像一个额外的肌腱，而是伸展并有助于储存能量。当机腿向下推时，释放弹性能量，离合器释放并吸收弹簧中的松弛，为下一个周期做准备。

该研究小组已经尝试这一发明很多年，但最近才能够将其重量减至低于半公斤/腿，足以提供一个净能量效益。

上坡的战斗
Goldfarb说，一个潜在的障碍是，7%的效率提升仅适用于在水平地面上的正常步行速度。本文共同作者、卡内基梅隆大学生物力学工程师Steven Collins说，他的团队目前正在更广泛的条件中测试该装置。但是他说，从他的穿着经验来看，这种靴子似乎很有前景。“从主观上说，在山上、横坡、通过树根、上楼梯等等，感觉都很好。”

研究人员计划尝试“聪明”的离合器，有嵌入式电子装置，调整释放的时间，以响应一个人的走路风格，或许也能适应倾斜地形。他们也希望能够与运动服装公司合作，把他们的想法变成一种商业产品，他们希望这种产品的价格将少于一双滑雪靴的价格。他说：“我认为那是目标——使产品的价格合理。”一个重要的应用是，这种装置可以帮助改善那些中风后的人们的行走能力。

但是，从公共健康的角度来看，使走路更容易是最好的方式吗？Sawicki说：“我经常遇到这个问题。你为什么要减少能量？我们不是有肥胖问题吗？”但他认为，成本与效益之间的平衡可能提示无论哪种方式，如果它能给那些行走困难的人带来激励，那么就具有正面作用。“对于一个65岁的活跃的人来说，这种装置确实可以延长他们的活动年限。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Reducing the energy cost of human walking using an unpowered exoskeleton
Abstract: With efficiencies derived from evolution, growth and learning, humans are very well-tuned for locomotion. Metabolic energy used during walking can be partly replaced by power input from an exoskeleton, but is it possible to reduce metabolic rate without providing an additional energy source? This would require an improvement in the efficiency of the human–machine system as a whole, and would be remarkable given the apparent optimality of human gait. Here we show that the metabolic rate of human walking can be reduced by an unpowered ankle exoskeleton. We built a lightweight elastic device that acts in parallel with the user's calf muscles, off-loading muscle force and thereby reducing the metabolic energy consumed in contractions. The device uses a mechanical clutch to hold a spring as it is stretched and relaxed by ankle movements when the foot is on the ground, helping to fulfil one function of the calf muscles and Achilles tendon. Unlike muscles, however, the clutch sustains force passively. The exoskeleton consumes no chemical or electrical energy and delivers no net positive mechanical work, yet reduces the metabolic cost of walking by 7.2 ± 2.6% for healthy human users under natural conditions, comparable to savings with powered devices. Improving upon walking economy in this way is analogous to altering the structure of the body such that it is more energy-effective at walking. While strong natural pressures have already shaped human locomotion, improvements in efficiency are still possible. Much remains to be learned about this seemingly simple behaviour.