外骨骼设备，助力提升行走效率

文/陈根

在科幻电影中，外骨骼设备是托尼·史塔克的钢铁衣；是《流浪地球》中救生队员们的保护衣；是《阿丽塔》中人类失而复得的肢体。

在动物学领域，外骨骼是指位于动物体外的骨骼系统，比如螃蟹壳；在科研领域，外骨骼主要用来增强人类的能力，例如协助瘫痪病人肢体行动或辅助瘫痪病人康复等。

近日，加拿大女王大学领导的跨学科团队融合了生物力学、生理学和人机交互等方面的研究成果，设计了一款能帮助用户提高行走效率的外骨骼。这种行走的科学设备可以移除步态周期特定阶段的能量，减少行走的代谢成本，从而让使用者用最少的能量走最远的路。

当我们用双足行走时，一只脚着地到同一只脚再次着地的步骤叫做“行走周期”。在过去的20年里，如何改善行走周期的能量经济性一直是个重要的课题。但步行是一个精细且高度优化的过程，所以借助外骨骼提高步行效率难度较大。现有的外骨骼技术要么会增加能耗，要么会将能量从步态周期的一个阶段转移到另一个阶段。

而新装备另辟蹊径，通过移除膝盖肌肉在末端摇摆阶段的能量来强化用户的行走能力，从而使用户在行走时不那么劳累。虽然移除人行走时腿部的能量听上去有悖常理，但是，人类肌肉确实能自然移除能量，该设备在这一过程中就起到了协助作用。

外骨骼设备不仅可以提升行走效率，还可以将移除的能量转化为电能，用于驱动设备的控制系统和其他便携式设备。这种能量收集功能对于独自一人在偏远地区旅行的用户尤其有效。有了新设备，有望解决他们手机和GPS的充电问题。

该设备主要由绳缆和旋转发电机组成，绳缆有两大用处，一方面可通过线束连接到小腿，另一方面可向上延伸并连接到输入滑轮。当膝关节盖摆动并向前伸展时，输入缆线会松开，这时输入皮带轮即可得到驱动。滑轮、齿轮系以及滚柱离合器的结合使用，可将绳缆的线性运动转换为旋转运动，并能同时放大和整合绳缆的运动。

使用时，只许将两条细缆沿着身体缠绕在双腿上就可以。当一只脚向前行走时，其中一根绳缆会让发电机旋转，这时会产生少量阻力，从而缓解膝关节大腿肌肉的紧张并促进行走。

另外，当人站立时，离合器会把输入皮带轮和齿轮系分离，并通过复位弹簧将绳缆收集到输入皮带轮上。离合器的存在，还能使外骨骼只在摆动期间施加机械负荷；而在站立期间，下肢可以摆脱外骨骼的束缚。此时，发电机的反电动势（counter emf）可将机械负载施加到输入绳缆，进而施加到佩戴者身上。

值得一提的是该外设备重约 1.5 磅（约 0.68 公斤），外形非常紧凑，可放入普通背包。由于重量较轻、体积较小，其在携带方面也较为便利。未来，如果能够实现落地，其或许能让徒步旅行者更好地享受行走的乐趣，甚至是缓解站立工作群体的职业病。