Почему походка на высоких каблуках может улучшить протезы и роботов
Исследование, финансируемое Wellcome Trust и Biotechnology and Biological Sciences Research Council, показало, что люди при обычной ходьбе, женщины на высоких каблуках и страусы оказывают на землю одинаковые силы, несмотря на разную форму ног. Это открытие предполагает, что протезы нижних конечностей и ноги роботов можно сделать более эффективными, если они будут менее похожи на человеческие и больше напоминать протезы «Бегущего по лезвию» Оскара Писториуса.
Ходьба включает повторяющийся процесс, который учёные называют «падение, свод, толчок»: приземление на пятку («падение»), перенос веса через неподвижную ногу («свод») и отталкивание носком («толчок»). Это самый экономичный способ ходьбы, и, как показывает исследование, опубликованное в Journal of the Royal Society Interface, сила, прилагаемая к земле, одинакова для людей, идущих нормально или на высоких каблуках, и для страусов.
Доктор Татьяна Хьюбел из Королевского ветеринарного колледжа объясняет: «Несмотря на совершенно разное строение суставов и движения бёдер, люди при обычной ходьбе, женщины на очень высоких каблуках и страусы производят поразительно похожие силы при ходьбе. Это самый механически экономичный способ. Мы делаем всё возможное, чтобы силы следовали одной и той же схеме, поэтому, например, женщины покачивают бёдрами на высоких каблуках. Вопрос для нас в том, почему человеческая стопа имеет такую форму, а не, скажем, как у страуса?»
Учёные, моделируя движение ноги, часто упрощают его, рассматривая ногу как палку с блоком сверху (телом), которая движется как перевёрнутый маятник. В этой упрощённой модели форма человеческой стопы не имеет смысла. Но на самом деле человеческая нога сложнее; она содержит мышцы, которые, вероятно, эволюционировали в результате компромисса между оптимизацией для ходьбы и большей эффективностью при беге. Поскольку люди разумны и могут планировать и использовать инструменты, способность быстро двигаться для поимки добычи или избегания хищника не является критической.
Форма человеческой стопы такова, что когда стопа полностью стоит на земле, вся сила проходит через лодыжки, позволяя мышцам поддерживать вес тела, оставаясь в основном разгруженными на стадии «свода». Когда мышцы несут нагрузку, они быстро устают, даже если не выполняют работу. Например, если держать руки вытянутыми, через несколько минут они устанут; для сравнения, экскаватор JCB может удерживать стрелу неограниченно долго.
Исследователи полагают, что это открытие может иметь значение для проектирования лучших протезов для ампутантов выше колена и для ног гуманоидных роботов. Их можно улучшить, сделав более похожими на ногу страуса, чем на человеческую.
Доктор Джим Ашервуд, старший научный сотрудник Wellcome Trust в Королевском ветеринарном колледже, поясняет: «Если вы хотите сделать хороший протез стопы, но не заботитесь о его внешнем виде, вам следует разместить двигатель — в данном случае голеностопный сустав — как можно выше на ноге, где он может обеспечивать мощность, не делая стопу тяжёлой и трудной для раскачивания вперёд-назад. Нет смысла размещать двигатель в конце стопы, где он затрудняет вынос ноги вперёд — что важно как при ходьбе, так и при беге.
Некоторые умные протезы копируют лодыжку и очень похожи на человеческие, что хорошо для протезов, заменяющих стопу, но для ампутантов выше колена типичный протез, очень похожий на человеческую ногу, тяжёлый и с ним трудно двигаться. Гораздо лучше иметь страусиную стопу на конце очень лёгкой ноги».
Примером такого протеза, уже используемого на практике, являются лезвия паралимпийского атлета Оскара Писториуса — «Бегущего по лезвию». Эти лезвия лёгкие, пружинистые и без пятки, похожие на ноги страуса, которые оптимизированы для бега от хищников, а не для ходьбы.