Huazhong University of Science and Technology
Китайские и американские инженеры создали активный рюкзак, который практически полностью гасит инерциальное ускорение груза при ходьбе и тем самым снижает нагрузку на человека. Эксперименты показали, что рюкзак снижает метаболические затраты на ходьбу на 11 процентов по сравнению с обычным рюкзаком с грузом такой же массы. Статья о разработке опубликована в журнале IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.
При ходьбе человек в основном двигается вперед, но также при переставлении ног немного смещается вверх и вниз. Если на спине у него висит рюкзак, то при этих смещениях он попеременно получает ускорения, направленные вверх или вниз. Из-за этого реальная нагрузка на тело складывается не только из веса рюкзака, но также включает в себя инерционную составляющую.
В 2006 году американский инженер Лоуренс Роум (Lawrence Rome) вместе с двумя коллегами опубликовал статью в Nature, в которой описал конструкцию рюкзака, значительно снижающую нагрузку на тело человека при ходьбе, особенно быстрой. Главный элемент конструкции — это подвес основной части рюкзака на блоках и проходящих через них эластичных тросах. Благодаря им эластичные тросы гасят силы, вызываемые вертикальным ускорением при ходьбе на величину до 86 процентов. Спустя 12 лет исследовательский проект перерос в коммерчески доступный рюкзак.
Теперь инженеры под руководством Цай-Хуа Сюна (Cai-Hua Xiong) из Хуачжунского университета науки и технологии создали похожий по конструкции рюкзак, но уже с активными элементами: это позволяет снизить инерционную составляющую силы, действующей на тело, на 98,5 процента. Конструкцию можно разделить на две основные части. Одну из них за лямки и пояс надевает человек. Сзади на ней есть пластина, на которой в центре расположено подвижное крепление для основной части рюкзака или груза, а по бокам установлено два эластичных троса. Сверху каждый из тросов жестко прикреплен к пластине, далее он проходит через два блока, а на другом конце закреплен на подвижном креплении. Вместе эти элементы обеспечивают пассивное гашение колебаний.
Компоненты рюкзака
Lei He et al. / IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2020
Активная система гашения состоит из шарико-винтовой передачи, в центре которой находится подвижное крепление, а снизу — элеткромотор. На креплении также есть датчик ускорения. Во время ходьбы он анализирует нагрузку и смещает крепление относительно пластины рюкзака, чтобы вертикальное ускорение стремилось к нулю.
Разработчики провели два вида испытаний. Во время первого они сравнивали вертикальное ускорение рюкзака в нормальном режиме и с зафиксированным подвижным креплением. Выяснилось, что активная и пассивная система снижают ускорение на 98,5 процента. Во втором испытании инженеры сравнили метаболические затраты на ходьбу между активным и заблокированным рюкзаком, а также обычным рюкзаком без какой-либо системы гашения колебаний. Во время испытаний добровольцы ходили по беговой дорожке с рюкзаком и грузом массой 19,4 килограмма, а их затраты на движение измерялись по выдыхаемому воздуху. Оказалось, что при одинаковой массе груза с активным рюкзаком человек тратит на восемь процентов меньше энергии, чем с заблокированным, и на 11 меньше, чем с обычным.
Сравнение ускорений и смещений при ходьбе с активным и заблокированным рюкзаком
Lei He et al. / IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2020
Для снижения метаболических затрат на ходьбу или бег также можно применять экзоскелеты. Исследования показывают, что даже пассивный экзоскелет ног способен снизить затраты на бег на восемь процентов.
Григорий Копиев
Оценили 3 человека
2 кармы