Как положение стопы при ходьбе помогает сохранять равновесие

Исследователи из Университета штата Огайо получили новое представление о том, как тело движется при ходьбе, наблюдая за людьми, идущими по беговой дорожке.

В обычной ходьбе люди ставят ногу на слегка разное положение на каждом шагу. Для неопытного глаза это шаг за шагом изменение положения стопы выглядит случайным. Однако в выпуске журнала Biology Letters от 24 сентября 2014 года исследователи описывают математическую модель, которая может объяснить более 80% этой кажущейся случайности в расположении следующего шага человека, основываясь лишь на крошечных вариациях в движении его таза.

Каждый наш шаг — это акт балансировки, когда тело падает вперед и в стороны, объяснил Маной Шринивасан, доцент кафедры машиностроения и руководитель Лаборатории движения в Огайо.

«Мы смогли показать, что следующее положение стопы можно предсказать задолго до того, как стопа будет поставлена — уже в середине предыдущего шага — на основе того, как падает тело», — сказал он. «Никто не знал, что такая высокая предсказуемость возможна с такой простой моделью и только на основе данных о нормальной ходьбе».

Полученные знания могут однажды повлиять на разработку вспомогательных экзоскелетов или шагающих роботов, а также помочь врачам диагностировать и лечить проблемы с равновесием.

Идея исследования, объяснил бывший аспирант Ян Ван, заключалась в использовании естественной изменчивости в том, как мы ставим шаги при обычной ходьбе. Каждый шаг можно рассматривать как небольшое движение, предназначенное для восстановления устойчивости после очень маленького падения — микрокосм более крупных, драматичных движений, которые мы используем, чтобы оставаться в вертикальном положении, когда что-то выводит нас из равновесия.

Они оснастили 10 участников маркерами захвата движения и отслеживали их ходьбу на беговой дорожке с разной скоростью, от неспешной прогулки до умеренного темпа (от ~2 до ~3 миль в час).

Если бы исследователи пытались создать общую модель ходьбы человека, они бы отбросили крошечные вариации в движении таза и постановке стопы как «шум» в данных. Но в этом эксперименте шум был тем, что их интересовало, потому что именно тогда небольшое изменение в нашем равновесии может быть компенсировано небольшим изменением в том, куда мы ставим ноги.

То есть наши тела инициируют почти незаметное падение вправо перед шагом вправо и падение влево перед шагом влево. Если наш таз движется на миллиметр иначе в ту или иную сторону на конкретном шаге, это создает крошечный дисбаланс, который мы, по-видимому, компенсируем, ставя следующий шаг в соответствующее положение. Все это происходит без нашего сознательного участия.

Шринивасан продолжит эту работу в Лаборатории движения, где его команда займется подтверждением этих результатов другими экспериментами — для более четкого понимания устойчивости и контроля человеческой ходьбы — и доработкой своей модели для помощи в диагностике и лечении проблем с устойчивостью. Исследование выявило простую структуру в изменчивости нормальной ходьбы, поэтому, возможно, отклонения от этой структуры укажут на характер чьих-либо трудностей.

Что касается инженерных приложений этого исследования, Ян сказал, что лучшее понимание человеческой походки может повлиять на дизайн вспомогательных экзоскелетов, которые помогают людям с двигательными расстройствами ходить естественно. Это также может помочь в разработке гуманоидных или даже четвероногих шагающих роботов.