在过去的十年里，仿生外骨骼在医学界掀起了一股不小的波澜，为 运动康复 提供了令人兴奋的新方法。然而，尽管这些机械动力服可以创造奇迹（而且看起来相当酷），但仍然存在一个主要问题：它们非常昂贵。为了帮助残疾或瘫痪者改善步态，外骨骼通常依赖于复杂的电机和电池组合——而这些都不便宜。
现在，卡内基梅隆大学和北卡罗来纳州立大学的研究人员提出了一种更简单的解决方案，可以略微提高步行效率。在一项发表在《自然》杂志上的新研究中，研究团队详细介绍了他们的最新发明——一种可穿戴的靴子式外骨骼，可以将步行能量消耗降低7%。这可能听起来不多，但如此微小的变化在很长一段时间内，可以显著改善脊髓损伤或中风患者的康复效果。
然而，这款靴子的主要卖点在于它不需要电池供电的电机，因此轻便且易于使用。这意味着它更有可能处于普通大众能够负担得起的价位。
研究的合作作者格雷格·索维奇（Greg Sawicki）和史蒂文·柯林斯（Steven Collins）从研究人类踝关节的力学原理中获得灵感。“踝关节是人类步态的主要动力源，”北卡罗来纳大学生物医学工程学助理教授索维奇在接受《大众科学》采访时解释道。“腿部的大部分能量来自踝关节周围的肌肉和肌腱。”最终，研究人员的策略是在踝关节蹬离地面时提供一点额外的推力。
通过研究人体运动的各种超声波图像，索维奇和柯林斯很好地掌握了小腿肌肉在运动过程中与跟腱协同工作的方式。事实证明，腿部肌肉的作用更像是汽车的离合器，而不是电机。当脚着地时，小腿肌肉锁定，固定住跟腱的一端。然后，肌腱的作用就像一个弹簧：当脚移动时，小腿肌肉的收缩会拉伸跟腱，最终肌肉放松，肌腱回缩。
这款新型外骨骼靴模仿的就是这些运动机制。“我们基本上是把这个离合器/弹簧的想法复制粘贴到了一个碳纤维框架上。”每走一步，一个机械离合器就会接合和分离腿后的一个弹簧，这个弹簧与跟腱协同工作，帮助脚移动。
整个装置在不使用电机的情况下，最终节省了使用者每一步所需的能量。研究人员监测了穿戴靴子者的总体氧气消耗和二氧化碳呼出量，计算出步行所需总能量减少了7%。柯林斯表示，这款靴子通过减少肌肉的整体负荷和力来达到这一效果。
“肌肉是惊人的执行器，但它们的效率不高，”卡内基梅隆大学机械工程学助理教授柯林斯说。“例如，你在汽车上拉起手刹，汽车会想向下滚动，而刹车阻止了这一点。理论上，这没有任何能量消耗。但对于肌肉来说，当它们产生这样的力时，即使它们静止不动，也会消耗能量。我们的离合器产生的力就像你的手刹一样，但不会消耗任何能量。”
索维奇表示，步行效率提高7%相当于减轻了10磅的背包重量。目前，研究人员设想这款靴子可以用于帮助那些某个肢体活动能力较弱的人，甚至可以帮助徒步旅行者和运动员延长他们在一天内可以覆盖的距离。他们还认为，这款靴子可能会受到希望保持活力但需要一点额外帮助的步入老年的婴儿潮一代的欢迎。
当然，还需要进行更多的研究来了解长期穿着这款靴子的影响，因为如果长期使用，外骨骼很可能会导致肌肉萎缩。但柯林斯和索维奇希望，由于该设备不消耗任何化学或电能，商业版本可能只需要几千或几百美元。考虑到目前外骨骼的价格在4万到8万美元之间，这已经很不错了。
索维奇说：“最终，更小、更便宜、更精简更好。如果太贵，就无法惠及大众。”
