Сотрудники Института проблем машиноведения РАН провели исследование, в результате которого были получены новые сведения о контакте стопы с поверхностью во время ходьбы. В частности, было определено, что ударно-фрикционный контакт ступни с опорой возникает в трех точках: в области пятки, а также в местах прикрепления большого и малого пальцев стопы. Кроме того, исследователи получили дополнительные данные о колебательном движении стопы относительно трех осей при ходьбе одной ногой и об упругом перекате при ходьбе на двух ногах. Полученные результаты могут способствовать созданию более удобных и действенных ортезов, а также окажутся полезными в процессе реабилитации.
Благодаря использованию технологий захвата движения, искусственного интеллекта и мэмс-акселерометров ученые смогли оценить вклад инертных масс в формирование реакций стопы в зонах локализации ударно-фрикционных процессов.
«Использованные для моделирования походки данные ранее связывали со статикой: даже исследования ходьбы на двух ногах сводились к анализу передвижения на одной ноге. Мы расширили возможности подобных измерений, включив в них динамические параметры, и изучили локализацию скольжения и вращения пятки и носка. Полученные в ходе экспериментов данные позволили понять, что ходьба представляет собой сложный процесс, основанный на ударно-упругом и трением. Ранее этому явлению не уделялось должного внимания», ― сообщил корреспонденту «Научной России» главный научный сотрудник ИПМаш РАН Виктор Мусалимов.
Анализ трения пятки и носка при ходьбе на двух ногах, распределение нагрузок, исследование возникающих импульсов и закономерностей реакций стопы позволяют корректно моделировать процесс ходьбы, разрабатывать более эффективные ортезы и давать рекомендации по созданию обувных стелек.
«Изначально для анализа применялись уравнения статики, которые демонстрировали контакт ступни с поверхностью в двух точках. Благодаря использованию МЭМС-технологий было установлено, что ударные импульсы во время ходьбы сконцентрированы в трех областях стопы: в области пятки и в плюснах большого пальца и мизинца. Эти точки касания необходимо учитывать при проектировании и производстве ортезов, поскольку перекат стопы происходит не только от пятки к носку, но и от большого пальца к мизинцу. Еще один значимый результат касается свободного переноса стопы во время ходьбы. В этот момент стопа совершает определенные колебательные движения, которые обеспечивают устойчивость. В целях методической работы предложено представлять циклограмму двуногой ходьбы в виде квадросекторов круга, что позволяет подчеркнуть ее системность, когда все элементы находятся в тесной взаимосвязи. Например, локализованные импульсы сил трения пятки одной ноги и носка другой уточняют модель динамики двуногой ходьбы, позволяя использовать в качестве характеристики движения физическую величину — действие», — сообщил Виктор Мусалимов.
Исследователи установили взаимосвязь между локальным трением, направленным вдоль поверхности (скольжение), и трением, возникающим в поперечном направлении (верчение). Эти сведения откроют возможности для совершенствования систем локомоторной реабилитации: данные показывают, что требуется разработка новых двигателей для реабилитационных роботов, которые будут импульсно воздействовать на поврежденную стопу, имитируя движения здоровой. Помимо этого, мэмс-технологии позволят создать систему удаленного наблюдения за пациентами, проходящими реабилитационный курс.
Материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации
Изображение предоставлено пресс-службой ИПМаш РАН