Исследователи из SNU разработали экзокостюм для поднятия тяжестей
Новые достижения в области робототехники могут помочь раздвинуть границы человеческого тела, чтобы сделать нас быстрее или сильнее. Исследователи из лаборатории биоробототехники Сеульского национального университета (SNU) разработали экзокостюм, корректирующий осанку человека.
В своей недавней статье они описали экзокостюм Movement Reshaping (MR), который вместо того, чтобы увеличивать какую-либо часть человеческого тела, объединяется с движением одного сустава, чтобы заблокировать или разблокировать движение другого сустава. Костюм работает пассивно, без батарей и двигателя.
Например, при попытке поднять тяжелый предмет с пола большинство из нас наклоняется в талии, что является позой, способствующей травме. Устройство SNU препятствует наклонной позе и помогает исправить ее на более безопасное приседание.
В статье говорится: «Обычный подход к коррекции позы при подъеме, иммобилизации уязвимых суставов с помощью фиксации, недостаточен для предотвращения травм спины, полученных в результате повторяющихся подъемов. Вместо этого при подъеме небольших, но тяжелых предметов вся кинетическая цепочка должна взаимодействовать, чтобы достичь серии действий приседания-подъемы».
«Мы называем нашу методологию «переменным импедансом (сопротивлением) с питанием от тела», поскольку мы можем изменить импеданс одного сустава, перемещая другой»
Большинство вспомогательных устройств, таких как HeroWear Карла Зелика, предназначены для снижения утомляемости пользователя, обеспечивая дополнительную мощность и минимизируя вмешательство в его произвольные движения. С другой стороны находится MR Exosuit, который фокусируется на преобразовании подъемных движений пользователя в безопасную форму приседания, а также на обеспечении дополнительной силы.
Костюм MR был разработан для уменьшения травм рабочих заводов и складов, выполняющих повторяющиеся подъемные работы. Многие травмы, связанные с подъемом, вызваны не только мышечной усталостью, но и неправильной позой во время этого действия. Наклониться легче, чем присесть, а люди по своей природе склонны выбирать более удобную стратегию.
Специалист по реабилитационной медицине из Медицинского колледжа SNU Кивон Ким, который также внес свой вклад в исследование, заявил: «Поскольку пагубные последствия таких удобных, но небезопасных движений развиваются медленно, люди не осознают риск вовремя, как в случае дегенерации диска».
Исследователи разработали механизм, который блокирует сгибание бедра, когда человек пытается наклониться, и разблокирует его, когда он пытается приседать.
«Мы соединили верхнюю часть спины со стопой с помощью уникальной структуры сухожилия, состоящей из вертикальных тормозных тросов и горизонтальной резиновой ленты. Когда бедро согнуто, а колено не согнуто, крутящий момент сгибания бедра передается стопе через тормозной трос, вызывая сильное сопротивление движению. Однако, если колени расширяются в боковом направлении для приседания, угол между сухожилиями меняется и крутящий момент при сгибании бедра переключается на поддержку резиновой ленты»
Устройство было протестировано на десяти людях, которые впервые использовали костюм. Девять из десяти участников изменили схему движения ближе к форме приседания в экзокостюме. По словам исследователей, это означает улучшение среднего индекса осанки у участников на 35%. Они также отметили снижение среднего потребления метаболической энергии участниками на 5,3%.
Ученые на сегодняшний день работают над улучшением MR Exosuit, чтобы протестировать его в реальных трудовых условиях. Испытания планируют начать в ближайшее время. В 2022 году исследователи собираются коммерциализировать устройство, а пока еще есть над чем поработать. Эффективность костюма была подтверждена в статье, но долгосрочные эффекты от ношения — нет.
«В будущем мы планируем провести эксперимент в различных областях, требующих обучения осанке при подъемах, например, в промышленных условиях, в спортзалах и реабилитационных центрах»
Инженеры также планируют дальнейшее исследование, чтобы распространить принцип переменного импеданса с питанием от тела на спортивные применения. Многие виды спорта, в которых задействовано все тело, такие как гольф, плавание и бег, требуют правильной тренировки движений для повышения безопасности и производительности.
Команда исследователей планирует разработать спортивную одежду для двигательных тренировок, подходящую для различных видов спорта, с использованием мягких материалов, таких как тросы и резинки. Исследование SNU показывает, что искусственные сухожилия, структура которых отличается от человеческой, могут эффективно помогать людям, меняя двигательный паттерн.
Существующую версию экзокостюма можно использовать для предотвращения несоответствующих подъемных движений пациентов с плохим состоянием позвоночника. Ученые ожидают, что их конструкция приведет к изменениям в будущих исследованиях носимой робототехники. Они продемонстрировали, что носимые устройства не должны имитировать оригинальную анатомическую структуру человека.
