More Efficient Walking via Temporal and Spatial Energy Transfer in a Passive Biarticular Exosuit
تُظهر الدراسة أن البدلة الخارجية للفخذ ثنائية المفاصل (BATEX)، التي تحاكي العضلات ثنائية المفاصل والأنسجة المرنة لتمكين كل من تخزين الطاقة زمنياً ونقل الطاقة مكانياً عبر المفاصل، تقلل بشكل كبير من التكلفة الأيضية بنسبة تصل إلى 9% أثناء المشي من خلال المساعدة وتعزيز وظائف الأطراف السفلية البشرية في آن واحد.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أن ساقيك مثل فريق عمل معقد، حيث تعمل بعض العضلات (مثل العضلة المستقيمة الفخذية والعضلات المأبضية) كـ موظفين اثنين في واحد. هذه العضلات الخاصة تمتد عبر كل من الورك والركبة، مما يساعد في تنسيق الحركة بين المفصلين.
تساءل الباحثون وراء هذه الورقة البحثية: ماذا لو استطعنا بناء بدلة قابلة للارتداء تحاكي هذه العضلات "الاثنين في واحد" باستخدام النوابض (الزنبركات)؟
لقد ابتكروا جهازًا يسمى BATEX (بدلة الفخذ الخارجية ثنائية المفصل - BiArticular Thigh EXosuit). فكر في BATEX ليس كروبوت يعمل بالمحركات، بل كـ حزام مرن مصمم بذكاء يُرتدى على الفخذ. وهو يستخدم نابضين، تمامًا مثل عضلاتك الطبيعية، يربطان بين وركك وركبتك.
إليك كيف يعمل الأمر، باستخدام تشبيه بسيط:
الخدعتان السحريتان للبدلة
تشرح الورقة أن هذه النوابض تؤدي خدعتين محددتين في "نقل الطاقة" لجعل المشي أسهل:
خدعة "حساب التوفير" (النقل الزمني):
تخيل أنك تقفز على ترامبولين. عندما تهبط، يتمدد الترامبولين ويخزن طاقتك؛ وعندما ترتد للأعلى مرة أخرى، يعيد لك تلك الطاقة. تقوم النوابض في BATEX بهذا الأمر عند مفصل واحد (مثل الركبة)، حيث تخزن الطاقة عند الخطوة للأسفل وتعيدها عند الدفع للأعلى. هذا يشبه امتلاك حساب توفير للطاقة شخصي يعيد لك الطاقة فورًا.خدعة "الجسر" (النقل المكاني):
هذا هو الجزء الفريد. تخيل جسرًا يربط بين مدينتين. إذا كان لدى إحدى المدينتين فائض من الطاقة والأخرى تحتاج إليها، فإن الجسر ينقل الطاقة عبره. تعمل نوابض BATEX كـ جسر بين وركك وركبتك. يمكنها أخذ الطاقة من مفصل واحد ونقلها إلى الآخر، مما يخلق تدفقًا سلسًا ومنسقًا قد لا يحققه جسمك بمفرده بنفس الكفاءة.
ماذا حدث عندما ارتدى الناس البدلة؟
قام الفريق باختبار ذلك على 9 أشخاص يمشون بسرعة عادية (حوالي 1.3 متر في الثانية).
- النتيجة: بمجرد ارتداء البدلة ذات النوابض المضبوطة على إعداد قياسي، استهلك المشاة طاقة أقل بنسبة 7% (التكلفة الأيضية) مقارنة بالمشي بدونها.
- التحسين (Optimization): عندما قاموا بتعديل النوابض لتناسب أسلوب مشي كل شخص على حدة، قفز توفير الطاقة إلى 9%.
كيف ساعدت البدلة؟
تشير الورقة البحثية إلى أن البدلة ساعدت بطريقتين متميزتين، وهو أمر مثير للدهشة نوعًا ما:
- المساعدة (Assist): لقد رفعت عن عضلاتك الطبيعية جزءًا من عبء العمل الثقيل، مما سمح لها بالراحة.
- التعزيز (Augment): لقد سمحت بالفعل للمشاة بتوليد قوة إجمالية أكبر مما يمكنهم فعله بمفردهم، ولكن بطريقة كانت لا تزال أكثر كفاءة لأجسامهم.
الخلاصة
وجدت الدراسة رابطًا مباشرًا: عندما عملت النوابض في البدلة بشكل جيد، استرخت العضلات الطبيعية للمستخدمين بشكل ملحوظ، واستهلكت أجسامهم وقودًا أقل.
باختصار، من خلال تقليد تصميم الطبيعة للعضلات التي تمتد عبر مفصلين وإضافة نوابض مرنة لمحاكاةها، أنشأ الباحثون بدلة "سلبية" (أي بدون بطاريات أو محركات) تساعد الناس على المشي بجهد أقل. وهذا يثبت أنه في بعض الأحيان، أفضل طريقة لمساعدة الإنسان على الحركة هي بناء جسر مرن بسيط يسمح لجسمه بالقيام بالعمل بكفاءة أكبر.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.