Казалось бы, ходить пешком – что может быть проще и естественней? Ведь люди передвигаются на двух ногах уже более миллиона лет. Но лишь совсем недавно ученым наконец удалось выяснить, как устроена наша походка.
И по сей день нам не до конца понятно, как же работает это чудо, подаренное человеку природой – возможность ходить, не говоря уже о возможности бегать. В исследовании, недавно опубликованном в Journal of Experimental Biology, подробно описан особый процесс взаимодействия между голеностопным и коленным суставами, мышцами и связками во время движения вперед. Эти данные позволяют лучше понять механизм движения ноги в момент ходьбы, причем при минимальных затратах энергии объем совершаемых движений получается максимальным.
Одним из основных и наиболее важных применений результатов этой работы является усовершенствование конструкции искусственных конечностей. Об этом единогласно говорят ученые из Инженерного Колледжа Университета Орегона. В дальнейшем лучшее понимание принципов ходьбы позволит создавать роботов, которые смогут ходить и бегать и при этом быть куда более подвижными и маневренными, чем существующие на сегодняшний день, а также будут тратить гораздо меньше энергии.
«Ходьба человека на двух ногах – это нечто экстраординарное, и мы все еще не до конца понимаем точный ее механизм», – рассказывает Джонатан Херст, профессор инженерии и эксперт в передвижении роботов. Все ныне существующие роботы ходят совсем не так, как люди, они во многом проигрывают человеческой походке по эффективности и маневренности. «Когда мы сможем точно понять, как именно двигается человеческая нога, мы сможем сконструировать роботов, которые будут работать куда лучше», – добавляет Херст.
Ученые долгое время анализировали так называемый высокоэнергетический «толчок», который совершает нога в момент отрыва от земли, но никак не могли понять, как именно он происходит. Сейчас, наконец, ответ найден. По данным экспериментов, это движение состоит из двух основных частей. Первая – это фаза «облегчения», во время которой вес тела переносится с ноги. За ней следует «фаза запуска»: колено сгибается, что способствует быстрому высвобождению запасенной упругой энергии из сухожилий голеностопного сустава. Этот процесс напоминает срабатывание катапульты. «Мы подсчитали возможности мышц и пришли к выводу, что только их работы будет недостаточно для генерации такого мощного толчка», – говорит Дэниел Реньевски, исследователь в области робототехники из Университета Орегона. «Так что мы пытались найти дополнительный усиливающий механизм».
«Правильная координация работы коленного и голеностопного сустава – одно из важнейших условий», – объясняет Дэниел. «А энергия этой своеобразной «катапульты» идет в большей степени на обеспечение взмаха ногой, а вовсе не на движение вперед, как считалось раньше».
Роботы ходят совсем по-другому. Они используют силу, чтобы продвинуть ногу вперед от бедра. Такой метод работает, однако он не позволяет ни экономить энергию, ни делать походку маневренной. А для широкого использования робототехники экономный расход энергии чрезвычайно важен. «Нам все еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем нам удастся создать робота, который будет тратить на передвижение так же мало энергии, как и человек», – говорит Херст. «Однако подобные исследования позволяют нам приблизиться к этой цели».
Технологии, которые позволят роботам передвигаться по неровной поверхности, могут быть использованы при разработке искусственных конечностей, экзоскелетов для людей с мышечной слабостью, а также применяться при чрезвычайных ситуациях и различных катастрофах. Таким образом, тонкое понимание человеческих движений и связанный с этим технологический прогресс смогут помочь тысячам людей по всему миру.
