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Science:外骨骼,“无中生有”收获能量

看到外骨骼(exoskeleton)这个词,估计很多人脑海中都会浮现科幻电影的经典场景,比如国产科幻巅峰之作《流浪地球》,外骨骼的运用将人类的行动能力拓展到一个新水平。

图片来源:《流浪地球》


严格意义上讲,外骨骼并不算一个太新的概念,其早期雏形甚至可以追溯到蒸汽机时代,当时的人们就已经开始想象如何利用蒸汽动力辅助行走(下图左侧)。1890年的美国专利中,已经有人提出将机械结构装在人身上以增强人体跑步和跳跃能力 [1]

1830年代英国画师Robert Seymour的手绘画《Walking By Steam》。图片来源于网络


外骨骼作为一种可穿戴设备,通过机械设备与肌肉骨骼系统协同工作,可以减少人体行走或跑步消耗的能量,增加人体的负重能力。同时外骨骼技术也是帮助残疾人群康复诊断、恢复行走,提升工人作业效率,以及提高军队负重的不二法宝。


目前,外骨骼设备主要有两种。主动式外骨骼,利用外加能源(电能)辅助行动,减少人体新陈代谢的能量损失;被动式外骨骼,自身无动力,一般使用弹性机制来帮助使用者的肌肉肌腱单元存储能量,并将能量用于帮助行走。也有研究者提出,可以将使用者步行或跑步时产生的部分能量存储起来,转化为电能,再在需要时辅助行动。业内评判外骨骼设备性能的一个指标称作“收集成本(cost of harvesting,COH)”,即使用者代谢功率的变化与设备产生的电能之比。遗憾的是,目前报道的设备COH值均为正值,意味着使用者必须付出额外的代谢成本以实现电能存储。

外骨骼设备分类。图片来源:Science


为什么这么难?原因在于人类的行走已经足够“优化”。漫长的进化,使得人类以节约能量、代谢成本尽量低的方式行走。2007年,有研究者通过对成年黑猩猩和人类的行走行为分析,发现两足行走的人类消耗的能量仅为四足行走的黑猩猩的1/4。这样看来,外骨骼设备在不增加代谢负担的情况下从人类行走中收获能量更像是一个“无中生有”的任务。

黑猩猩和人类行走力学的比较。图片来源:PNAS [2]


近日,加拿大女王大学Qingguo LiMichael Shepertycky等研究者在Science 杂志上发表论文,报道了首个COH值为负值的外骨骼设备,不需要外加电源,可以从人自然行走步态中获取机械能并将其转化为电能,同时还可降低使用者代谢能量消耗。“无中生有”的关键在于帮助肌肉而非增加肌肉负担。人类行走过程中,在脚与地面接触之前,大腿后部肌肉会施力让摆动中的腿减速,作者针对这一环节巧妙设计外骨骼设备,与膝关节屈曲运动相结合,帮助大腿肌肉让腿“刹车”,降低人体代谢能量消耗的同时设备还能收获能量。

新型外骨骼设备示意图。图片来源:Science


人类的行走可以看成是一步一步前进的周期性循环过程,肌肉的离心收缩与向心收缩交替进行,这些肌肉做功的目的不都是为了前进。在每个行走周期的末期(也就是脚与地面接触之前的瞬间),大腿肌肉必须消耗能量来拉紧,让摆动中的腿停下,以防止因为收脚不住而向前冲出。这一过程类似“刹车”。不过,如果想要收集这一过程中的能量,减少人体代谢消耗,就必须对人体行走时的肌肉收缩进行精准的判断。

利用制动充电的外骨骼设备。图片来源:Science [3]


研究者设计的背包式外骨骼设备,重量仅为1.059公斤,主要由缆绳和旋转发电机组成。缆绳与佩戴者的小腿相连,然后向上延伸并连接到设备的输入滑轮。在每个行走周期中,当使用者的膝盖向前伸展做正功时,缆绳松开;而在脚落地前摆动的腿“刹车”瞬间,缆绳拉紧,来自发电机的阻力提供了一个轻微的制动力,帮助腿“刹车”,降低行走的代谢消耗,与此同时,缆绳带动发电机旋转将收集到的动能转化为少量电能。

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外骨骼辅助行走,降低消耗能量并收集能量。图片来源:Science


研究者对10名健康男性志愿者进行了跑步机行走实验,对比了正常行走、穿戴传统能量收集类外骨骼以及穿戴本设备对代谢功率、生物力学的影响。在本外骨骼辅助下,肌肉降低代谢成本的同时步态参数几乎没有影响。

右腿膝关节运动力学与肌肉活动。图片来源:Science


统计结果表明,使用者在自然行走过程中,不但可以让设备提供0.25 ± 0.02 W的电能,还能同时降低2.5 ± 0.8%的代谢成本,实现了COH为负值的突破。

三种行走模式的代谢率对比。图片来源:Science


外骨骼设备的应用场景很多,例如病患康复、徒步搜救、户外探险或军事任务。未来,还可以集成生理传感系统和机器学习算法,以拓宽设备的应用空间。不可否认,作为概念验证性的工作,该文报道的这种外骨骼设备无论是获取能量还是降低使用者代谢消耗,影响都还比较小。但这种“无中生有”的策略,还是给外骨骼设备以及可穿戴设备的设计提供了新的思路。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Removing energy with an exoskeleton reduces the metabolic cost of walking

Michael Shepertycky, Sarah Burton, Andrew Dickson, Yan-Fei Liu, Qingguo Li

Science2021372, 957-960. DOI: 10.1126/science.aba9947


参考文献:

[1] YAGN N. APPARATUS FOR FACILITATING WALKING. Google Patents. 1890.

[2] M. D. Sockol, et al. Chimpanzee locomotor energetics and the origin of human bipedalism. PNAS2007104, 12265-12269. DOI: 10.1073/pnas.0703267104

[3] R. Riemer. Extracting electricity with exosuit braking. Science2021372, 909-911. DOI: 10.1126/science.abh4007


(本文由小希供稿)


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