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走路可以更省力?生物力學這樣設計

有什麼裝置可以讓走路省力嗎?
有什麼裝置可以讓走路省力嗎? Credit: [email protected] CC BY 2.0

走路真的省力嗎?

走路可以省力點,應該是每個人都希望有的。有人設計鞋子,加上氣墊、弧線型的鞋底,穿起來舒適,但這些真的可以省力嗎?鞋子的研究處處涉及到生物力學和人類行走步態的知識。而眾多設計裡面,能不能不需要外加電源、實際省力多少和是否能用在軍事或者醫療輔具上,一直都需要更進一步的科學研究。最近在自然(Nature)期刊出現一篇研究,研究員開發了一項不需要外接電源,可以降低走路時的生理代謝率,大家一起來看看,是不是真有這麼一回事?

無電池的設計

這個設計是由美國北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)和卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University)共同完成,外型像是長筒靴狀的設計,形同體外支架,僅約300~500公克重,使用者穿上後,可以穿入一般的運動鞋行走,實驗證實可以減少7%的代謝消耗(據他們估算約減少五公斤負載),也就是說穿上後走起來比較省力。事實上,早在2013年,就已經有另一個研究團隊設計了一組空氣壓縮機系統,外接馬達和電池,穿上後走路可以減少6%代謝消耗。但這次設計一個很大的突破點,就是不需要外加電池或馬達,改以一個離合器和彈簧取代,分別用來模擬小腿的肌肉和阿基里斯腱的動作,目標是給行走困難的人或軍人長距離行走使用。

彈簧+離合器設計

人類在行走的時候,小腿後面的肌肉(腓肌)如同一個剛性連結,連結阿基里斯腱的收縮和伸長。這個設計中的離合器(腓肌),就扮演這個剛性連結的調節角色,讓彈簧(阿基里斯腱)能夠在整個步態的過程中,適時的伸長以儲存能量,然後適時地縮短以提供行走時的推力。這篇研究的共同作者Sawicki解釋說,當腳跟接觸地面的時候,也就是阿基里斯腱以一個相當大的力量抓住小腿肌肉,這時候離合器就抓住彈簧,從這個點開始,行走時身體向前的力矩就轉換為彈簧伸長的能量,這個能量持續儲存,到腳跟離地的時候,彈簧能量釋放,幫助腳板推進,直到腳尖離地。

超音波技術幫助了解肌肉運作

研究團隊表示他們花了五年的時間研究這個產品,同時感謝超音波影像技術的發達,讓他們能夠了解肌肉和肌腱在人類行走時的動作關係,藉此他們設計了離合器和阿基里斯腱這個組合。現在整個產品設計都還只有雛形,未來要用到醫療上面,還有很長的路要走,他們希望最後產品的價格可以低於$1000美元。

這篇研究中使用到基礎代謝來做為行走省力和費力的指標,用這個參數來反應人體行走時的省力感。然而,行走時在彈簧拉伸的那段,穿戴者是不是也會較為費力?但在後面彈簧釋放能量時,感到較為省力。前後相加的結果,整體來看較為省力?這點我們不得而知。但事實上彈簧的拉伸和釋放,應該要能量守恆。如果這樣的推論成立,那麼,這樣的設計是用較少的代謝消耗來儲存能量,給行走時需要較高代謝消耗的離地推進期使用,以至於穿著者感到「省力」,各位怎麼看呢?

文章參考:NC State University
圖片來源:Sister72@Flickr  CC BY 2.0
原文參考:Nature

【作者簡介】 BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章要有邏輯,藉由報導、解析生醫領域的創新和應用來傳播知識。

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