轻便动力靴让你行走更高效

过去十年，仿生外骨骼在医学界引起了不小的轰动，有望为运动康复带来新的、令人兴奋的方法。虽然这些机械动力服可以创造一些小奇迹（而且看起来非常酷），但仍有一个主要问题：它们非常昂贵。为了帮助残疾人或瘫痪者改善步态，外骨骼依赖于有时复杂的电机和电池组合——而这些组合并不便宜。

现在，卡内基梅隆大学和北卡罗来纳州立大学的研究人员想出了一个更简单的解决方案，可以稍微提高步行效率。在《自然》杂志上发表的一项新研究中，研究小组详细介绍了他们的最新发明——一种可穿戴的靴子状外骨骼，可以将步行的能量消耗降低 7%。这看起来可能不多，但这种长期的微妙变化可以显著改善脊髓损伤或中风患者的康复效果。

然而，这款靴子的主要卖点是它不需要电池驱动的马达，因此重量轻且方便携带。这意味着它的价格很可能在广大民众可以承受的范围内。

对于这项研究的共同作者 Greg Sawicki 和 Steven Collins 来说，靴子的灵感来自于对人类踝关节力学的研究。北卡罗来纳大学生物医学工程助理教授 Sawicki 向《大众科学》杂志解释说：“踝关节是人类步态的主要动力来源。腿部产生的大部分能量来自踝关节周围的肌肉和肌腱。”最终，研究人员的策略是在踝关节将腿推离地面时提供一点额外的推力。

通过检查人体腿部运动时的各种超声波图像，萨维奇和柯林斯很好地掌握了小腿肌肉在运动过程中如何与跟腱协同工作。结果表明，腿部肌肉的工作方式不像马达，而更像汽车中的离合器。当脚踩在地上时，小腿肌肉会锁紧，抓住跟腱的一端。然后，跟腱的作用就像弹簧一样：当脚移动时，小腿肌肉的支撑会拉伸跟腱，最终肌肉会松开，跟腱会回缩。

新型外骨骼靴模仿的正是这些运动机制。“我们基本上将离合器/弹簧的理念复制粘贴到了碳纤维框架上。”每走一步，机械离合器都会接合和分离腿部后面的弹簧，与跟腱协同工作，帮助脚部移动。

整个装置不使用马达，最终节省了穿着者每走一步所需的能量。研究人员监测了穿着靴子的人消耗的氧气总量和呼出的二氧化碳量，计算出行走所需的总能量减少了 7%。据柯林斯说，靴子通过减少肌肉的总负荷和力量来实现这一点。

“肌肉是令人惊叹的执行器，但它们的效率并不高，”卡内基梅隆大学机械工程助理教授柯林斯说。“例如，当你在汽车上拉起手刹时，汽车会向下坡滚动，而刹车会阻止它这样做。理论上，这不会消耗任何能量。但对于肌肉来说，只要它们产生这样的力量，即使它们静止不动，也会消耗能量。我们的离合器产生的力与你的手刹非常相似，但不消耗任何能量。”

据萨维奇称，步行效率提高 7% 相当于卸下 10 磅的背包。目前，研究人员设想这款靴子可用于帮助某些肢体活动能力较弱的人，甚至帮助那些想要延长一天步行距离的徒步旅行者和运动员。他们还认为，这款靴子可能会受到那些想要保持活跃但需要一些额外帮助的老龄婴儿潮一代的欢迎。

当然，还需要进行更多研究来了解长期穿着这套靴子的效果，因为如果一直使用，外骨骼很可能会导致肌肉质量下降。但柯林斯和萨维奇希望，由于该设备不消耗任何化学能或电能，商业版本的价格可能只有几千到几百美元。考虑到目前的外骨骼售价在 40,000 至 80,000 美元之间，这个价格相当不错。

“最终来说，更小、更便宜、更精简才是更好的选择，”萨维奇说，“如果价格太高，普通大众就买不起。”