弹性髋关节外骨骼对跑步机速度扰动下行走稳定性的影响：基于全身角动量与机械能量学的量化分析

本研究针对弹性髋关节外骨骼能否提升行走稳定性的问题，通过量化跑步机突发加速扰动下的全身角动量（WBAM）和机械能量学指标，发现外骨骼虽未显著降低全身能耗（p>0.226），但揭示了其通过改变髋关节局部力学特性（0.66–1.0 Nm/deg刚度）调节能量分配的潜在机制，为被动辅助设备设计提供了新见解。

　　

研究背景与意义
行走稳定性是康复工程和运动科学的核心问题，尤其在突发扰动（如地面不平整）时，人体需要快速调节机械能耗和动量分配以维持平衡。当前主动驱动外骨骼虽能提升稳定性，但存在成本高、结构复杂等问题。相比之下，被动弹性外骨骼（如髋关节辅助装置）因其轻量化、低能耗特性备受关注，但其对动态扰动下稳定性的影响机制尚不明确。美国研究团队通过结合跑步机突发加速实验与多维度生物力学分析，首次系统评估了弹性髋外骨骼在扰动场景中的作用。

关键技术方法
研究招募11名健康受试者，使用定制钛合金扭转弹簧外骨骼（刚度0.66–1.0 Nm/deg）在跑步机上进行前向/后向突发加速测试。通过运动捕捉系统采集全身运动数据，计算扰动期和恢复期的全身角动量（WBAM）范围及机械功（whole-body work），并结合逆动力学分析髋关节能量分配。统计采用混合效应模型（p<0.05显著性阈值）。

研究结果

Exoskeleton mechanics
外骨骼在步态周期30–66%阶段产生渐进式扭矩，刚度增加显著提升稳态行走峰值扭矩（K3=0.078–0.092 Nm/kg，p<0.001）。但扰动期间，不同刚度对全身机械功无显著影响（p>0.226）。

Whole-body angular momentum
未扰动时，外骨骼刚度增加导致WBAM范围扩大（p<0.001），主要源于躯干运动学改变；但扰动场景下该效应消失（p>0.419），提示WBAM指标在扰动与非扰动步态的评估不可直接类推。

Hip joint energetics
高刚度（K3）使同侧髋关节功与全身需求反向（稳定效应），但对侧髋关节功却与全身需求同向（失稳效应）。这种不对称性揭示了局部能量再分配的复杂性。

结论与讨论
研究发现弹性髋外骨骼未能如预期降低扰动期的全身能耗或WBAM波动，挑战了“被动弹性元件必然提升动态稳定性”的假设。关键机制在于其对髋关节能量调节的双向作用：虽能通过同侧髋关节耗散扰动能量，但对侧关节反而加剧能量输入。该成果发表于《Journal of Biomechanics》，为外骨骼设计提供了重要启示：1) WBAM指标在扰动与非扰动步态中具有不同敏感性；2) 单关节被动干预可能因肢体间力学耦合产生矛盾效应。未来研究需探索多关节协同弹性策略以优化全身稳定性。