چکمه روباتی

تصویر 1: ایده قدیمی در مورد دویدن با فنرهایی روی پاهایتان، به یک نوسازی تکنیک بالا می رسد. کریستینا براون
 
مهم نیست که چقدر خوب طراحی شده باشد، هیچ کفش دوی وجود ندارد که به دوندگان اجازه دهد تا با دوچرخه سواران رقابت کنند. دوچرخه یک اختراع کلیدی بود که باعث افزایش سرعت نیروی انسانی می شد. اما اگر نوع جدیدی از کفش بتواند با تقلید از مکانیسم دوچرخه سواری، سریع تر کار کند، چه ؟
 
این سؤالی است که دانشجویان من در مرکز مهندسی توانبخشی و فن آوری کمکی وندربیلت و من در هنگام ساختن یک تئوری جدید اسکلت های روباتیک رانده شده با فنر به کاوش آن پرداختبم. ما ایده ای برای نوع جدیدی از اسکلت استخوانی اندام تحتانی ارائه کردیم که می تواند به سریع ترین انسان جهان امکان دهد به سرعت 18 متر در ثانیه یا حدود 40 مایل در ساعت برسد.
   
تصویر 2: چکمه های روباتی اجازه می دهد پاها در هنگام دویدن در هوا انرژی ذخیره کنند، مشابه مکانیسم پدال زدن در دوچرخه سواری. A. Sutrisno و D. J. Braun ، CC BY-ND
 
لبه اصلی کفشهای امروزی Vaporfly از Nike است که به دوندگان امکان می دهد 4٪ انرژی کمتر نسبت به کفش های استاندارد در حال استفاده مصرف کنند. الیود کیپچوگ، مدال آور سه بار المپیک، اخیراً آنها را برای دویدن در ماراتنِ زیر دو ساعت پوشید. گر چه Vaporfly با افزایش راندمان کفش های استاندارد، دنیای دویدن حرفه ای را بهبود می بخشد، اما مزایای دوچرخه سواری را فراهم نمی کند و یا به عبارت دیگر اساساً فیزیک دویدن را تغییر نمی دهد.
 
در اسکلت های روباتیک که قدرت انسان را تقویت می کنند، تحقیقات و توسعه های زیادی صورت گرفته است. این ها از محرک ها و انرژی خارجی استفاده می کنند: موتورها و باتری ها. اما آنها به انسان ها کمک نکردند که خودشان سریعتر بدوند. دونده ها با استفاده از چکمه روباتی، با فشرده سازی یک فنر با هر پا در حالی که در هوا است، انرژی فراهم می کنند. همچنین از فنرها برای ساخت پروتزهای پیشرفته برای دوی پارالمپیک استفاده شده است، اما نشان داده نشده است که نسبت به پاها مزیت فوق العاده ای را ارائه دهند. برای سرعت نیرو گرفته از قدرت انسان، دوچرخه برای متجاوز از یک قرن، قهرمان حکمفرما بوده است.
 

دویدن در مقابل دوچرخه سواری

تصویر 3: پیشرو دوچرخه های مدرن، ملقب به اسب کوچک سرگرمی، در سال 1817 توسط بارون کارل فون دریس اختراع شد. موزه علوم و فناوری کانادا / Flickr ، CC BY-NC-ND
 
اولین ماشین دو، یک دوچرخه بدون پدال بود. این دوچرخه با تحمل وزن بدن بر روی یک زین و استفاده از چرخ ها برای پرهیز از اتلاف اجتناب ناپذیر انرژی هنگام قدم زدن، باعث کاهش هزینه انرژی دو می شد.
 
اما دوچرخه های اولیه اجازه نمی دادند که دوچرخه سواران سریعتر از دوندگان حرکت کنند، زیرا دوچرخه سوار با هل دادن خود در مقابل زمین توسط پاهایش – درست شبیه دو – خود را جلو می برد. چیزی که بازی را برای دوچرخه سواری تغییر داد اختراع مکانیسم پدال زنی بود که به پاها اجازه می داد سوار را به طور مداوم به جلو حرکت دهند و نه تنها وقتی پا به زمین برخورد می کند.
   
تصویر 4: در سال 1890، نیکلاس یانگ یک پای فنری اختراع کرد که وزن بدن فرد را تحمل می کرد. USPTO
 
مزیت سرعت دوچرخه نسبت به دویدن به دلیل عدم تلاش دوام نیاورده است. مردم برای نسل ها در حال تصور پاهای فنری و تصحیح فنرهای دو بوده اند، اما این فنرها مانند دوچرخه پدال دار نیستند زیرا اجازه نمی دهند پاها هنگام عدم تماس با زمین به تأمین انرژی بپردازد.
 

چکمه روباتی

برای استفاده از مزیت دوچرخه سواری در دویدن، ما به مفهومی برای نوع جدیدی از چکمه روباتی دست یافتیم که عملکرد پدال های دوچرخه را تقلید می کند. دونده ها با استفاده از چکمه روباتی، با فشرده سازی یک فنر با هر پا در حالی که در هوا است، انرژی فراهم می کنند. با هر قدم، فنر با فشار آوردنی سریعتر و قوی تر از پاهای معمولی، می تواند انرژی ذخیره شده خود را آزاد کند.
 
ما دریافتیم که یک چکمه روباتی ایده آل به سریعترین دونده روی زمین اجازه می دهد تا از پاهای خود در 96٪ از زمان گام برداری استفاده کند تا سریعتر از 20 متر در ثانیه بدود، که قابل مقایسه است با حداکثر سرعت دوچرخه سواری. استفاده از یک چکمه روباتی عملی که تنها در حدود 60٪ از زمان گام برداری را استفاده می کند، هنوز هم می تواند یک دونده را به حداکثر سرعت 18 متر در ثانیه برساند. این سرعت 50٪ سریعتر از سرعت رکورد جهانی 12 متر در ثانیه در دوی سرعت 100 متر است.
   
تصویر 5: سرعت حرکت نیرو گرفته از انسان. اقتباس از A. Sutrisno ، D. J. Braun ، چگونه می توان بدون انرژی خارجی 50٪ سریعتر دوید ، جلد. 6 ، نه 13 ، eaay1950 ، 2020. ، CC BY-ND
 
مؤلفه پیشرفته چکمه روباتی، یک فنر با سختی متغیر است که می تواند بدون تغییر در انرژی ذخیره شده خود، سفتی خود را افزایش دهد. سختی فنر تعیین می کند که چقدر می تواند به زور به زمین فشار بیاورد تا بدن دونده را شتاب بخشد - هر چه فنر سفت تر شود، با توجه به همان فشردگی فنر، نیرویی بیشتر به آن داده می شود.
 
فنر های معمولی مانند آنهایی که در قلم های فنری هستند، بر اساس مواد، شکل و اندازه فنر، سختی ثابتی دارند. فنرهای با سختی متغیر نوع خاصی از فنر هستند که می توانند شکل یا اندازه خود را تغییر دهند. یک نوع از فنر با سختی متغیر با کوتاه شدن، سختی را افزایش می دهد. یک مکانیسم با حرکت دادن نقطه الصاق فنر از انتهای آن به وسط آن، فنر را کوتاه می کند. مکانیزم موجود در چکمه روباتی، فنر را کوتاه می کند زیرا دونده پایش را در هوا دراز می کند.
   
تصویر 6: دویدن با چکمه های روباتی. اقتباس از A. Sutrisno ، D. J. Braun ، چگونه می توان بدون انرژی خارجی 50٪ سریعتر دوید ، جلد. 6 ، نه 13 ، eaay1950 ، 2020. ، CC BY-ND
 
افزایش سختی فنر به محض افزایش سرعت دونده، شبیه به تعویض دنده بالاتر بر روی دوچرخه است زیرا دوچرخه سوار سریعتر حرکت می کند. این به دونده ها امکان می دهد انرژی بیشتری را تأمین کنند و محدودیت بیو مکانیکی تأمین انرژی تنها در مدت کوتاه تماس با زمین در دوی سریع را دور بزنند.
 
منبع: دیوید براون - Vanderbilt University