More Efficient Walking via Temporal and Spatial Energy Transfer in a Passive Biarticular Exosuit

该研究表明,双关节大腿外骨骼(BATEX)通过模拟生物双关节肌肉和弹性组织,实现跨关节的时间能量储存与空间能量传递,在行走过程中同时辅助和增强人类下肢功能,从而将代谢成本显著降低高达 9%。

原作者: Firouzi, V., Ahmadi, A., Davoodi, A., Haufe, D., Seyfarth, A., Sawicki, G. S., Sharbafi, M. A.

发布于 2026-04-29
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原作者: Firouzi, V., Ahmadi, A., Davoodi, A., Haufe, D., Seyfarth, A., Sawicki, G. S., Sharbafi, M. A.

原始论文采用 CC BY 4.0 许可(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。 ⚕️ 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明

想象你的双腿就像一支复杂的工人团队,其中一些肌肉(如股直肌和腘绳肌)充当着“二合一员工”。这些特殊肌肉横跨你的髋部和膝部,协助协调这两个关节之间的运动。

这篇论文背后的研究人员提出了一个问题:如果我们能用弹簧制造出一套模仿这些“二合一”肌肉的可穿戴服装,会怎样?

他们创造了一种名为BATEX(双关节大腿外骨骼)的设备。请将 BATEX 想象成一种穿在大腿上的巧妙设计的弹性 harness,而非电动机器人。它利用两根弹簧,就像你天然的肌肉一样,将你的髋部和膝部连接起来。

以下是其工作原理,使用一个简单的类比:

服装的两大“魔法”

论文解释道,这些弹簧执行两种特定的“能量调度”技巧,让行走变得更轻松:

  1. “储蓄账户”技巧(时间转移):
    想象你在蹦床上跳跃。当你落地时,蹦床拉伸并储存你的能量;当你弹起时,它将能量返还给你。BATEX 中的弹簧在单个关节(如你的膝盖)上做同样的事情:在你迈步下压时储存能量,在你向上蹬地时返还能量。这就像拥有一个能量储蓄账户,能立即向你支付回报。

  2. “桥梁”技巧(空间转移):
    这是独特之处。想象一座连接两座城市的桥梁。如果一个城市能量过剩,而另一个城市需要能量,桥梁就会将能量输送过去。BATEX 的弹簧充当了你髋部与膝部之间的桥梁。它们可以从一个关节汲取能量并转移到另一个关节,创造出一种平滑、协调的流动,这是单靠你的身体可能无法如此高效实现的。

人们穿上它后发生了什么?

研究团队让 9 名以正常速度(约 1.3 米/秒)行走的人进行了测试。

  • 结果: 仅仅穿上这套弹簧调至标准设置的服装,行走者的能量消耗(代谢成本)就比未穿时减少了7%
  • 优化: 当他们调整弹簧以适应每个人的特定行走风格时,节能效果跃升至9%

它是如何提供帮助的?

论文指出,这套服装以两种截然不同的方式提供了帮助,这有些令人惊讶:

  • 辅助: 它分担了你天然肌肉的部分重负,让它们得以休息。
  • 增强: 它实际上允许行走者产生比独自行动时更多的总功率,但这种方式对他们的身体来说仍然更高效。

核心结论

研究发现了一个直接的联系:当服装中的弹簧运作良好时,使用者的天然肌肉会显著放松,他们的身体燃烧的能量也更少。

简而言之,通过模仿跨越两个关节的肌肉的自然设计,并添加弹性弹簧来模拟它们,研究人员创造了一种“被动”服装(不含电池或电机),帮助人们更省力地行走。它证明,有时帮助人类移动的最佳方式,是建造一座简单、有弹性的桥梁,让他们自己的身体能更高效地完成工作。

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