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这款“运动服”上了Science封面,跑步约起?

秋高气爽,我们又开始立下各种减肥或者健身的Flag,正儿八经地制定每天的运动计划……去校园或公园跑步无疑是简单易行又深受广大群众喜爱的运动项目。所谓“工欲善其事,必先利其器”,买一套合身潇洒的运动服,搭配高科技跑鞋和高保真运动耳机,已经成为大家立志跑步的默认第一步。


小希相信,很多像我一样运动计划没有开始就已经结束的肥宅,只不过是少一套满意的运动服而已。这不,前一段时间Science 封面新上架了一套“运动服”,款式极简,满满硬核科幻风,不但看起来很吸引眼球,这套柔软轻便的“运动服”还能帮助人们减少跑步及行走时的代谢消耗,使跑步和走路都更加轻松,好像已经减掉了十几斤肉一样。有图有真相。

图片来源:Science


哈佛大学Conor J. Walsh内布拉斯加大学奥马哈分校Philippe Malcolm领导的团队发明了这套被称为“exosuit”(姑且直译为“外装”)的装置,实际上是一类“可穿戴机器人(wearable robots)”。可穿戴机器人最为人所熟知的形象,莫过于漫威旗下的超级英雄——钢铁侠;而现实世界中可以帮助穿戴者增加负重和行动能力的“外骨骼(exoskeleton)”,也是可穿戴机器人的一种。相比之下,这种exosuit更加柔软和轻便,舒适度更佳。这种便携式exosuit“运动服”,不仅可以有效降低人类走路和跑步时的代谢率,提高运动效率,还很有希望用于那些患有肌肉或神经疾病的患者以及肢体残障人士,帮助他们恢复或者改善运动能力。

图片来源:漫威电影《钢铁侠》


研究的出发点非常简单,人类的行走和跑步具有两种不同的步态,生物力学并不相同。低速运动时,行走的代谢成本更低;而高速运动时,跑步的代谢成本更低。因此不少开发类似可穿戴机器人的研究都把二者分开对待。有研究者曾开发出作用于髋的运动辅助装置,可以使跑步的代谢率降低8%,然而却对行走没有效果,甚至会起到干扰作用 [1]。因此本文作者希望开发出一套可兼顾二者的运动辅助装置。


尽管两种运动不同,但涉及到一个共同的部位——髋关节,作者因此把帮助髋关节伸展作为研究的主要方向。他们设计的exosuit主要包含两部分,“腰带”和“短裤”,通过“腰带”上的电池供电给电机在髋关节周围产生拉伸力矩。这样的设计,使得穿戴者的关节不受外部刚性结构的约束,运动自由。

Exosuit运动服的设计。图片来源:Science


Exosuit运动服真人秀。图片来源:Science


除了硬件设计,还要有准确的算法,区分走路和跑步。为了使穿戴者在行走和跑步之间无缝切换,他们使用了一种在线分类算法,该算法根据exosuit上惯性测量单位(IMU)测得的势能波动来判断穿戴者是在行走还是在跑步,并反馈给控制器做出调整。

生物启发的步态分类算法。图片来源:Science


软硬件全部就位,接下来就要检验一下这套“运动服”的实际性能了。6名男性参与者进行了跑步机实验,速度范围为0.5到4.0 m•s-1,坡度为-10%到+20%的条件下,该算法对走路和跑步的区分准确率为100%。同时,8名男性参与者在室外球场上进行了地面试验,速度和步态逐渐变化。经检验,算法的准确率为99.98%。下面的视频演示了在不同自然环境中,该设备如何在行走和跑步过程中感知特定步态,以快速调整其驱动力。

视频来源:Wyss Institute at Harvard University [2]


与对照组相比,该款exosuit能使行走(速度为1.5 m•s-1)的代谢率降低9.3±2.2%,使跑步(速度为2.5 m•s-1)的代谢率降低4.0±1.3%,这相当于在行走和跑步时分别减重7.4 kg和5.7 kg的效果。

行走和跑步随速度改变的代谢成本,以及exosuit运动服的效果。图片来源:Science


这项工作展示了一种重量轻、限制性最小的辅助装置,可以降低步行和跑步的代谢率。“我们很兴奋地看到,该设备在行走、不同跑步速度和室外地面测试时表现良好,这显示了该系统的多功能性,” Conor Walsh教授说 [2]。同一期的Science杂志上,José L. Pons评论该工作,称可穿戴机器人从刚性到柔性的转变非常重要,而未来的方向有可能是直接响应神经系统命令[3]

“可穿戴机器人”的发展。图片来源:Science [3]


为了帮我们跑的轻松一些,甚至走的轻松一些,科学家们已经这么拼了,你还等什么,还不放下手机,离开床或沙发,走向操场,跑起来吧!至于我么……呃……我的运动服还没有到货……


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Reducing the metabolic rate of walking and running with a versatile, portable exosuit

Jinsoo Kim, Giuk Lee, Roman Heimgartner, Dheepak Arumukhom Revi, Nikos Karavas, Danielle Nathanson, Ignacio Galiana, Asa Eckert-Erdheim, Patrick Murphy, David Perry, Nicolas Menard, Dabin Kim Choe, Philippe Malcolm, Conor J. Walsh

Science, 2019, 365, 668-672, DOI: 10.1126/science.aav7536


参考文献:

1. Nasiri R., Ahmadi A., Ahmadabadi M. N., Reducing the energy cost of human running using an unpowered exoskeleton. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. 2018, 26, 2026–2032, DOI: 10.1109/TNSRE.2018.2872889pmid:30281466

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0163417

2. Suit up with a robot to walk AND run more easily

https://wyss.harvard.edu/news/suit-up-with-a-robot-to-walk-and-run-more-easily/

3. Pons J. L. Witnessing a wearables transition, Science, 2019, 365, 636-637, DOI: 10.1126/science.aaw9407

https://science.sciencemag.org/content/365/6454/636


(本文由小希供稿)


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功能膜材料开发与应用发布于2019-10-26  2
可能……我们更需要能增强基础代谢的运动服
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