Ученые Института проблем машиноведения РАН выяснили новые факты о взаимодействии стопы с опорой при ходьбе. В частности, установили, что импульсный ударно-фрикционный контакт ступни с поверхностью локализован в трех точках стопы: в пятке и плюснах большого пальца и мизинца. А также получили новые знания о колебательном движении относительно трех осей переносной стопы одной ноги и упруго-фрикционном перекате другой ноги при двуногой ходьбе. Потенциально новые знания помогут разрабатывать более комфортные и эффективные ортезы и будут полезны в реабилитации.
Ученые проводили эксперименты с применением технологий захвата движения, искусственного интеллекта и мэмс-акселерометров, что позволило оценивать долевое участие инертных масс в формировании реакций стопы в точках локализации ударно-фрикционного взаимодействия.
«Данные, которые применялись для моделирования ходьбы, ранее были связаны со статикой: даже исследования “двуногой” ходьбы, все равно сводились к “одноногой”. Мы расширили возможности таких измерений до динамики и изучили локализацию трения скольжения и трения верчения пятки и носка. Кроме того, получив экспериментальные данные, мы начали понимать, что ходьба – это феномен ударно-упруго-фрикционного взаимодействия. Ранее на это не обращали внимания», ― рассказал корреспонденту «Научной России» главный научный сотрудник ИПМаш РАН Виктор Мусалимов.
Изучение процессов трения пятки и носка при двуногой ходьбе, анализ распределения нагрузок, исследование возникающих импульсов и закономерностей реакций стопы позволяют корректно моделировать процессы ходьбы человека, создавать более совершенные ортезы и давать рекомендации по разработке обувных стелек.
«Ранее использовались уравнения статики, которые показывали, что контакт ступни с поверхностью происходит в двух точках. Применив мэмс-технологии, мы выяснили, что ударные импульсы при ходьбе локализованы в трех точках стопы: в пятке и плюснах большого пальца и мизинца. Эти контакты обязательно должны учитываться при моделировании и изготовлении ортезов, так как перекат ступни происходит не только от пятки к носку, но и от большого пальца к мизинцу. Второй важный результат касается свободного переноса стопы при ходьбе. В этот момент ступня совершает определенные колебания ― управленческие движения, обеспечивающие устойчивость движения. Кроме того, в методических целях предложено представлять циклограмму шагов двуногой ходьбы квадросекторами круга, что позволяет делать акцент на его системность, когда все его элементы выступают в тесной взаимосвязи друг с другом. Так, например, локализованные импульсы сил трения пятки одной ноги и носка ступни другой уточняют модель динамики двуногой ходьбы, позволяя использовать в качестве меры движения физическую величину ― действие», ― рассказал Виктор Мусалимов.
Ученые выявили аналитическую связь локализованного продольного трения (скольжение) и поперечного трения (верчение). Полученные знания позволят развивать системы локомоторной реабилитации: исследования показывают необходимость создания новых двигателей для реабилитационных роботов, которые будут импульсно воздействовать на пораженную ступню так, чтобы ее движения соответствовали здоровой. Кроме того мэмс-технологии позволят создать систему дистанционного мониторинга за пациентами на реабилитации.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Изображение предоставлено пресс-службой ИПМаш РАН
