Пружинный экзоскелет поможет людям бегать в полтора раза быстрее

Экзоскелеты могут не только помочь в ходьбе людям с проблемами опорно-двигательного аппарата. Они способны еще заметно увеличить скорость передвижения здорового человека. При правильном перераспределении усилий человек в подобном экзоскелете мог бы бежать со скоростью около 21 метра в секунду — то есть примерно 75 километров в час. Такие расчеты приведены в статье, опубликованной в Science Advances.

Пока это лишь теоретические данные, но команда ученых уже в следующем году готова представить прототип пружинного экзоскелета, который поможет людям разогнаться до такой скорости. «Наш результат может привести к появлению нового поколения дополняющих устройств <…> для спортивных соревнований, спасательных операций и правоохранительных органов, где люди смогут выиграть благодаря увеличению скорости движения», — утверждают авторы работы Аманда Сутрисно и Дэвид Джей Браун.

Идею пружинного экзоскелета исследователям подсказали велосипеды. Когда человек бежит, его ноги большую часть времени (около 80%) находятся в воздухе и не выполняют никакой полезной работы. В случае с велосипедом все совсем не так: одна из ног практически в любой момент времени толкает педаль, передавая это усилие на колеса.

Чтобы исправить это, Браун и Сутрисно провели компьютерное моделирование ряда устройств, учитывая сопротивление воздуха, предел мощности человеческих ног и количество энергии, которое теряется при касании ногой земли. Исследователи пришли к выводу, что необходимый импульс для увеличения скорости бега может дать пружинное устройство.

Когда бегун поднимает и сгибает ногу, в пружине накапливается энергия. При движении ноги вперед пружина остается сжатой. В тот момент, когда стопа касается земли, энергия пружины высвобождается, помогая человеку сильнее оттолкнуться и двигаться быстрее. Такой принцип позволяет выполнять работу и в «воздушной фазе бега». Еще один принцип, позаимствованный у велосипеда, — наличие передач. В пружинном экзоскелете это реализовано посредством механизма, который постоянно сокращает сжимаемый объем, — ведь более короткие пружины жестче.

Исследователи надеются завершить демонстрационную модель уже в следующем году, но признают, что для доведения механизма до ума понадобится еще несколько лет. «На раннем этапе это будет выглядеть как экзоскелет, но на более поздних этапах <…> как обувь», — говорит Дэвид Джей Браун.