Южнокорейские инженеры разработали мягкий экзоскелет для ног, который помогает повысить скорость бега за счет увеличения числа шагов. Испытания показали, использование костюма позволяет улучшить время спринтерского забега на дистанции 200 метров в среднем на 0,97 секунды.

Статья опубликована в журнале Science Robotics, кратко о ней рассказывает MIT Technology Review.

Обычно под экзоскелетами подразумевается надеваемые на тело человека устройства, которые позволяют усиливать какие-либо его функции. По сути это собирательный термин, который обозначает сразу несколько разных типов устройств. Это может быть как большой жесткий костюм на все тело, значительно повышающий силу человека, так и более компактные устройства, предназначенные для отдельных частей тела. Среди них можно отдельно выделить мягкие экзоскелеты, предназначенные для ног, которые помогают совершать движения при ходьбе или беге с помощью электромоторов и системы тросов.

Этот вид экзоскелетов существует уже достаточно давно и основное предназначение большинства разработок этого типа заключалось в снижении метаболических затрат. Например, экзоскелет группы американских и южнокорейских инженеров позволил снизить энергетические затраты при ходьбе более чем на девять процентов, а при беге на четыре процента. Можно предположить, что снижение затрат энергии при ходьбе и беге способно не только снижать утомляемость, но и повышать результаты в высокоинтенсивном спорте. Однако до сих пор тесты проводились в основном лишь на беговой дорожке с ограниченными скоростями.

Инженеры из Южной Кореи под руководством Гиука Ли (Giuk Lee) из Университета Чунан в Сеуле решили исправить этот пробел и разработали мягкий носимый экзокоскелет для ног, который предназначен для помощи в спринтерском беге. Он состоит из надевающегося на спину спортсмена модуля с электромоторами, которые связаны с двумя тросами. Другие концы этих тросов закрепляются на бедрах. В момент, когда нога бегуна движется назад, трос натягивается с помощью электромотора, облегчая работу мышц.

J. Moon er al. / Science Robotics, 2023

Алгоритм работы механизма, или так называемый профиль помощи, определяющий моменты, в которые необходимо активировать электромоторы, и необходимую величину натяжения тросов, был сгенерирован авторами работы, основываясь на результатах мускульно-скелетной симуляции бега. При этом экзоскелет самостоятельно определяет текущий тип передвижения и подстраивать параметры натяжения троса под него.

Для тестирования костюма, разработчики пригласили девять участников. Все спортсмены прошли предварительную трехминутную учебную тренировку на беговой дорожке, чтобы познакомиться с возможностями костюма. Затем участники должны были пробежать двухсотметровую дистанцию несколько раз с использованием костюма и без него с тридцатиминутными перерывами для отдыха между забегами. Время прохождения дистанции фиксировалось с помощью электронной системы.

В результате эксперимента выяснилось, что бег в экзоскелете позволяет сократить время прохождения дистанции в среднем на 0,97 секунды. При этом среднее улучшенное время на первой половине дистанции составляет 0,68, а на второй — 0,30 секунды. Также исследователи выяснили, что уменьшение времени связано с ростом количества шагов бегуна, использующего костюм.

Для получения более точной биомеханической картины, описывающей механизм улучшения времени спринта при использовании экзоскелета, разработчики планируют провести более подробные исследования в будущем. Также они планируют улучшить алгоритм работы костюма и привлечь к испытаниям профессионального атлета, чтобы попробовать побить мировой рекорд на дистанции 100 метров — действующий рекорд в 9,58 секунды установил в 2009 году Усейн Болт.