Löpning är bra träning men alla mår inte bra av att göra det. I hopp om att öka den fysiska aktiviteten – och möjligen skapa ett nytt transportsätt – studerar ingenjörer vid Stanford University enheter som människor kan fästa på benen för att göra löpningen lättare.

I experiment med motordrivna system som efterliknar sådana enheter – kallade exoskeleton-emulatorer – undersökte forskarna två olika lägen för löpassistans:motordriven assistans och fjäderbaserad assistans. Resultaten, publicerad 25 mars in Vetenskapsrobotik , var överraskande.

Bara handlingen att bära en exoskelettrigg som var avstängd ökade energikostnaden för att köra, vilket gör det 13 procent svårare än att springa utan exoskelettet. Dock, experimenten visade att om det drivs på lämpligt sätt av en motor, exoskelettet minskade energikostnaden för att köra, vilket gör det 15 procent lättare än att springa utan exoskelettet och 25 procent lättare än att springa med exoskelettet avstängt.

I kontrast, studien föreslog att om exoskelettet drivs för att efterlikna en fjäder fanns det fortfarande en ökning av energibehovet, vilket gör det 11 procent svårare än att köra exoskelettfritt och bara 2 procent lättare än det icke-drivna exoskelettet.

"När folk springer, deras ben beter sig mycket som en fjäder, så vi blev mycket förvånade över att vårliknande assistans inte var effektiv, sa Steve Collins, docent i maskinteknik vid Stanford och senior författare till tidningen. "Vi har alla en intuition om hur vi springer eller går men även ledande forskare upptäcker fortfarande hur människokroppen tillåter oss att röra oss effektivt. Det är därför experiment som dessa är så viktiga."

Om framtida konstruktioner kunde minska energikostnaden för att bära exoskelettet, löpare kan få en liten fördel av vårliknande assistans vid fotleden, som förväntas bli billigare än motordrivna alternativ.

Styr ditt steg

Ramen av ankel exoskelett emulator remmar runt användarens smalben. Den fästs på skon med ett rep ögla under hälen och en kolfiberstång insatt i sulan, nära tån. Motorer placerade bakom löpbandet (men inte på själva exoskelettet) producerar de två hjälpsätten – även om ett fjäderbaserat exoskelett faktiskt inte skulle använda motorer i slutprodukten.

Som namnet antyder, det fjäderliknande läget efterliknar inverkan av en fjäder som löper parallellt med vaden, lagra energi under början av steget och ladda ur den energin när tårna trycker av. I strömförsörjt läge, motorerna drar en kabel som går genom baksidan av exoskelettet från hälen till vaden. Med verkan som liknar en cykelbromskabel, den dras uppåt under tå-off för att hjälpa till att förlänga fotleden i slutet av ett löpsteg.

"Driv assistans tog bort mycket av energibördan från vadmusklerna. Det var väldigt fjädrande och väldigt studsande jämfört med normal löpning, sa Delaney Miller, en doktorand vid Stanford som arbetar med dessa exoskelett och som också hjälper till att testa enheterna. "Att tala av erfarenhet, det känns riktigt bra. När enheten tillhandahåller den hjälpen, du känner att du kan springa för evigt."

Elva erfarna löpare testade de två assistanstyperna när de sprang på ett löpband. De genomförde även tester där de bar hårdvaran utan att någon av hjälpmekanismerna var påslagen.

Varje löpare var tvungen att vänja sig vid exoskelett-emulatorn innan de testades - och dess funktion anpassades för att passa deras gångcykel och faser. Under själva testerna, forskarna mätte löparnas energiproduktion genom en mask som spårade hur mycket syre de andades in och hur mycket koldioxid de andades ut. Testerna för varje typ av assistans varade i sex minuter och forskarna baserade sina resultat på de sista tre minuterna av varje övning.

Energibesparingarna som forskarna observerade tyder på att en löpare som använder det drivna exoskelettet kan öka sin hastighet med så mycket som 10 procent. Den siffran kan bli ännu högre om löparna har extra tid för träning och optimering. Med tanke på de betydande vinsterna, forskarna tycker att det borde vara möjligt att förvandla det kraftdrivna skelettet till en effektiv obunden enhet.

Framtiden

Genom att ge fysiskt stöd, självförtroende och eventuellt ökad hastighet, forskarna tror att den här typen av teknik kan hjälpa människor på olika sätt.

"Man kan nästan se det som ett transportsätt, sa Guan Rong Tan, en doktorand i maskinteknik som, som Miller, fortsätter denna forskning. "Du kan gå av en buss, slå på ett exoskelett, och klara de sista en till två milen till jobbet på fem minuter utan att svettas."

"Detta är de största förbättringarna i energiekonomin som vi har sett med någon enhet som används för att underlätta löpningen, " sa Collins. "Så, du kommer förmodligen inte att kunna använda detta för en kvalificeringstid i ett lopp, men det kan göra att du kan hänga med dina vänner som springer lite snabbare än du. Till exempel, min yngre bror sprang Boston Marathon och jag skulle älska att kunna hålla jämna steg med honom."