Hardlopen is een geweldige oefening, maar niet iedereen voelt zich geweldig om het te doen. In de hoop fysieke activiteit te stimuleren - en mogelijk een nieuwe manier van vervoer te creëren - bestuderen ingenieurs van Stanford University apparaten die mensen aan hun benen kunnen vastmaken om hardlopen gemakkelijker te maken.

In experimenten met motoraangedreven systemen die dergelijke apparaten nabootsen - exoskeletemulators genaamd - onderzochten de onderzoekers twee verschillende manieren van hulp bij het hardlopen:motoraangedreven hulp en hulp op basis van een veer. De resultaten, gepubliceerd op 25 maart in Wetenschap Robotica , waren verrassend.

Alleen al het dragen van een exoskeleton-tuig dat was uitgeschakeld, verhoogde de energiekosten van hardlopen, waardoor het 13 procent moeilijker is dan hardlopen zonder het exoskelet. Echter, de experimenten gaven aan dat, indien geschikt aangedreven door een motor, het exoskelet verminderde de energiekosten van hardlopen, waardoor het 15 procent gemakkelijker is dan hardlopen zonder het exoskelet en 25 procent gemakkelijker dan hardlopen met het exoskelet uitgeschakeld.

In tegenstelling tot, de studie suggereerde dat als het exoskelet werd aangedreven om een ​​veer na te bootsen, er nog steeds een toename van de vraag naar energie was, waardoor het 11 procent moeilijker is dan exoskeletloos draaien en slechts 2 procent gemakkelijker dan het niet-aangedreven exoskelet.

"Als mensen rennen, hun benen gedragen zich als een veer, dus we waren zeer verrast dat veerachtige hulp niet effectief was, " zei Steve Collins, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Stanford en senior auteur van het artikel. "We hebben allemaal een intuïtie over hoe we rennen of lopen, maar zelfs vooraanstaande wetenschappers ontdekken nog steeds hoe het menselijk lichaam ons in staat stelt om efficiënt te bewegen. Daarom zijn experimenten zoals deze zo belangrijk."

Als toekomstige ontwerpen de energiekosten van het dragen van het exoskelet zouden kunnen verlagen, hardlopers kunnen een klein voordeel krijgen van veerachtige ondersteuning aan de enkel, die naar verwachting goedkoper zal zijn dan motoraangedreven alternatieven.

Uw stap krachtiger maken

Het frame van de enkel-exoskelet-emulator wordt om het scheenbeen van de gebruiker gewikkeld. Het wordt aan de schoen bevestigd met een touw onder de hiel en een koolstofvezelstaaf in de zool, nabij de teen. Motoren die zich achter de loopband bevinden (maar niet op het exoskelet zelf) produceren de twee vormen van ondersteuning, ook al zou een op een veer gebaseerd exoskelet eigenlijk geen motoren gebruiken in het eindproduct.

Zoals de naam impliceert, de veerachtige modus bootst de invloed na van een veer die evenwijdig aan de kuit loopt, energie opslaan tijdens het begin van de stap en die energie ontladen als de tenen zich afzetten. In de aangedreven modus, de motoren trekken aan een kabel die door de achterkant van het exoskelet loopt van de hiel naar de kuit. Met actie vergelijkbaar met een fietsremkabel, het trekt omhoog tijdens het afzetten om de enkel te helpen strekken aan het einde van een hardloopstap.

"Aangedreven ondersteuning nam veel van de energiebelasting van de kuitspieren weg. Het was erg veerkrachtig en erg veerkrachtig in vergelijking met normaal hardlopen, " zei Delaney Miller, een afgestudeerde student aan Stanford die aan deze exoskeletten werkt en ook helpt bij het testen van de apparaten. "Uit ervaring gesproken, dat voelt echt goed. Wanneer het apparaat die hulp biedt, je hebt het gevoel dat je voor altijd zou kunnen rennen."

Elf ervaren hardlopers testten de twee soorten ondersteuning tijdens het hardlopen op een loopband. Ze voltooiden ook tests waarbij ze de hardware droegen zonder dat een van de hulpmechanismen was ingeschakeld.

Elke hardloper moest vóór het testen wennen aan de exoskeletemulator - en de werking ervan werd aangepast aan hun loopcyclus en fasen. Tijdens de eigenlijke testen de onderzoekers maten de energetische output van de hardlopers via een masker dat bijhield hoeveel zuurstof ze inademden en hoeveel koolstofdioxide ze uitademden. Tests voor elk type hulp duurden zes minuten en de onderzoekers baseerden hun bevindingen op de laatste drie minuten van elke oefening.

De energiebesparingen die de onderzoekers zagen, geven aan dat een hardloper die het aangedreven exoskelet gebruikt, zijn snelheid met maar liefst 10 procent kan verhogen. Dat cijfer zou nog hoger kunnen zijn als hardlopers extra tijd hebben voor training en optimalisatie. Gezien de aanzienlijke winst die ermee gemoeid is, de onderzoekers denken dat het mogelijk moet zijn om van het aangedreven skelet een effectief ongebonden apparaat te maken.

De toekomst

Door fysieke ondersteuning te bieden, vertrouwen en mogelijk hogere snelheid, de onderzoekers denken dat dit soort technologie mensen op verschillende manieren kan helpen.

"Je kunt het bijna zien als een vervoermiddel, " zei Guan Rong Tan, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde die, zoals Miller, zet dit onderzoek voort. "Je zou uit een bus kunnen stappen, klap op een exoskelet, en leg de laatste één tot twee mijl af om in vijf minuten te werken zonder te zweten."

"Dit zijn de grootste verbeteringen in de energie-economie die we hebben gezien met elk apparaat dat wordt gebruikt om te helpen hardlopen, "zei Collins. "Dus, je zult dit waarschijnlijk niet kunnen gebruiken voor een kwalificatietijd in een race, maar het kan je in staat stellen om je vrienden bij te houden die iets sneller rennen dan jij. Bijvoorbeeld, mijn jongere broer heeft de marathon van Boston gelopen en ik zou hem graag willen volgen."