Een exoskelet ontworpen door Queen's Engineering-onderzoekers dat de loopefficiëntie verbetert, is het onderwerp van een nieuwe studie in het toonaangevende academische tijdschrift Wetenschap.
De wetenschap van het lopen zet een volgende grote stap met behulp van een uniek exoskelet waarmee gebruikers verder kunnen lopen en minder energie verbruiken. Ontwikkeld door een multidisciplinair team van de faculteit Ingenieurswetenschappen en Toegepaste Wetenschappen van de Koningin, verwijdert het op de rugzak gemonteerde prototype energie tijdens een specifieke fase van de loopcyclus, waardoor de metabolische kosten van lopen worden verminderd. Details over de ontwikkeling en evaluatie van het apparaat zijn vandaag gepubliceerd in Science, een van 's werelds meest vooraanstaande academische tijdschriften.
In tegenstelling tot bestaande exoskelettechnologieën die energie toevoegen of overbrengen van de ene fase van de loopcyclus naar de andere, helpt dit nieuwe apparaat gebruikers door energie te verwijderen die de kniespieren helpt tijdens een kritiek moment, de terminale zwaaifase.
"Het verwijderen van energie uit de benen van een persoon tijdens het lopen klinkt misschien contra-intuïtief, zoals het indrukken van de rem in een rijdende auto", zegt Michael Shepertycky, een recente Ph.D. afgestudeerd en hoofdauteur van de studie, "maar onze spieren verwijderen van nature energie terwijl we lopen, en ons apparaat helpt hen daarbij."
Het team overweegt de technologie– die net iets meer dan een halve kilo weegt – waardoor wandelaars langere afstanden kunnen lopen of verpleegkundigen minder moe zijn na een lange dienst.
"Het verbeteren van de loop- en hardloopeconomie is de afgelopen twee decennia een belangrijk onderzoeksonderwerp geweest vanwege de wetenschappelijke en praktische implicaties", zegt Qingguo Li, universitair hoofddocent mechanische en materiaaltechniek en co-auteur van het onderzoek. "Wandelen is een delicaat en zeer geoptimaliseerd proces, waardoor het moeilijk is om exoskeletten te gebruiken om de loopefficiëntie te verbeteren."
Naast het assisteren van de gebruiker, zet het apparaat de verwijderde energie om in elektriciteit die kan worden gebruikt om het besturingssysteem van het apparaat en andere draagbare apparaten van stroom te voorzien. Deze mogelijkheid om energie te oogsten kan met name handig zijn voor personen die te voet op afgelegen locaties reizen, waardoor ze mobiele telefoons of GPS-apparaten kunnen opladen. Yan-Fei Liu, hoogleraar Electrical and Computer Engineering en co-auteur van de studie, leidde de ontwikkeling van de vermogenselektronica van het apparaat.
De interdisciplinaire benadering van het team omvatte elementen van de biomechanica van het lopen, fysiologie, mens-machine-interacties en ontwerpinnovatie. Een groot deel van dit onderzoek werd uitgevoerd in de Human Mobiliteit Research Center, een faciliteit van het Queen's/Kingston Health Sciences Center uitgerust met ganganalysetechnologie van wereldklasse.