Они узнали все, что им нужно было знать, наблюдая, как люди естественным образом ходят по беговой дорожке.
При обычной ходьбе люди на каждом шагу ставят ступни в несколько разных положениях. Для неподготовленного глаза это пошаговое изменение положения стопы выглядит случайным и шумным. Но в сентябре.
24, 2014, выпуск журнала Biology Letters, исследователи описывают математическую модель, которая может объяснить более 80 процентов этой очевидной случайности в местоположении следующего шага человека, основываясь только на крошечных вариациях в движении таза этого человека.
«Каждый шаг, который мы делаем, — это балансирующее действие, когда тело падает вперед и вбок», — объяснил Манодж Сринивасан, доцент кафедры машиностроения и руководитель лаборатории движения в штате Огайо.
«Мы смогли показать, что следующее положение ступни можно предсказать заранее, когда ступня будет поставлена - уже в середине предыдущего шага — на основе того, как тело падает», — сказал он. "Никто не знал, что такая высокая предсказуемость возможна с такой простой моделью и только с данными о нормальной ходьбе."
То, что они узнали, может однажды послужить основой для разработки вспомогательных экзоскелетов или шагающих роботов — или просто помочь врачам диагностировать и лечить проблемы с равновесием.
Идея исследования, как объяснил бывший докторант Ян Ван, заключалась в том, чтобы извлечь выгоду из естественной изменчивости того, как мы расставляем наши шаги при обычной ходьбе. Каждый шаг можно рассматривать как небольшое движение, призванное помочь нам восстановить стабильность после очень крошечного падения — микрокосм более крупных и драматичных движений, которые мы используем, чтобы оставаться в вертикальном положении, когда что-то выводит нас из равновесия.
Они снабдили 10 участников маркерами захвата движения и отслеживали их ходьбу по беговой дорожке с различной скоростью, от неторопливой прогулки до умеренного темпа (примерно от 2 до 3 миль в час).
Если бы исследователи пытались создать общую модель того, как люди ходят, они бы проигнорировали крошечные вариации движения таза и положения стопы как «шум» в данных. Но в этом эксперименте их интересовал шум, потому что именно тогда небольшое изменение нашего баланса могло быть компенсировано небольшим изменением того, где мы ставим ноги.
То есть наши тела начинают почти незаметное падение вправо, прежде чем сделать шаг вправо, и падение влево, прежде чем сделать шаг влево. Если наш таз перемещается на миллиметр по-разному в ту или иную сторону на определенном шаге, это создает крошечный дисбаланс, который мы, кажется, компенсируем, помещая следующий шаг в подходящее положение. Все это происходит без сознательной мысли с нашей стороны.
Шринивасан продолжит эту работу в Movement Lab, где его команда приступит к подтверждению этих результатов с другими экспериментами, чтобы более четко понять стабильность и контроль ходьбы человека, и разработает свою модель для помощи в диагностике и лечении проблем со стабильностью. По его словам, исследование выявило простую структуру нормальной изменчивости ходьбы, поэтому, возможно, отклонения от этой структуры указывают на природу чьей-то трудности.
Что касается инженерного применения этого исследования, Ян сказал, что лучшее понимание походки человека может помочь в разработке вспомогательных экзоскелетов, которые помогают людям с двигательными расстройствами ходить естественным образом.
Это также может помочь в создании гуманоидных или даже четвероногих шагающих роботов.