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O conceito de Robo-boot promete correr 50% mais rápido

A velha ideia de correr com molas nos pés recebe uma reformulação de alta tecnologia.

A bicicleta foi uma invenção chave que dobrou a velocidade da propulsão humana. Mas e se um novo tipo de sapato pudesse permitir que as pessoas corressem mais rápido, imitando a mecânica do ciclismo?

Esta é a pergunta que meus alunos fazem Centro de Engenharia de Reabilitação e Tecnologia Assistiva de Vanderbilt e eu explorado enquanto desenvolvíamos uma nova teoria de exoesqueletos robóticos movidos a mola . Criamos um conceito para um novo tipo de exoesqueleto de membro inferior que permitiria ao ser humano mais rápido do mundo atingir uma velocidade de 18 metros por segundo ou cerca de 40 milhas por hora.

As botas robo permitem que as pernas forneçam energia no ar durante a corrida, semelhante ao mecanismo de pedalada no ciclismo. (A. Sutrisno e D. J. Braun, CC BY-ND )

A vanguarda dos tênis de corrida de hoje é o Vaporfly da Nike, que permite que os corredores usem 4% menos energia do que tênis de corrida padrão. O três vezes medalhista olímpico Eliud Kipchoge os usou recentemente para correr uma maratona em menos de duas horas . Embora o Vaporfly tenha revolucionado o mundo da corrida profissional ao aumentar a eficiência dos tênis de corrida padrão, ele não oferece as vantagens do ciclismo ou altera fundamentalmente a física da corrida.

Tem havido muita pesquisa e desenvolvimento em exoesqueletos robóticos que aumentam o poder humano. Estes usam atuadores e energia externa: motores e baterias. Mas eles não ajudaram os humanos a correr mais rápido. As molas também têm sido usadas para fazer próteses de alta tecnologia para corrida paralímpica , mas tem não foi mostrado para fornecer uma vantagem injusta em comparação com as pernas. Para a velocidade de propulsão humana, a bicicleta é a campeã reinante há mais de um século.

A precursora da bicicleta moderna, apelidada de hobby horse, foi inventada em 1817 pelo Barão Karl von Drais.

Museu de Ciência e Tecnologia do Canadá / Flickr , CC BY-NC-ND

Corrida versus ciclismo

A primeira máquina em execução era uma bicicleta sem pedais. Ele reduziu o custo de energia da corrida apoiando o peso do corpo em um assento e usando rodas para evitar a perda de energia inevitável quando os corredores pisam.

Mas as primeiras bicicletas não permitiu que os ciclistas se movessem mais rápido do que os corredores porque o piloto se impulsionou empurrando o chão com as pernas - exatamente como correr. O que mudou o jogo do ciclismo foi a invenção do o mecanismo de pedalada , o que permitiu que as pernas impulsionassem o ciclista continuamente, em vez de apenas quando o pé atingisse o solo.

A vantagem da velocidade da bicicleta em relação à corrida não perdurou por falta de tentativas. As pessoas têm imaginado pernas de mola e refino molas de corrida há gerações, mas essas molas não são como uma bicicleta com pedais porque não permitem que as pernas forneçam energia quando estão fora do solo.

O robo-boot

Para aplicar a vantagem do ciclismo à corrida, criamos um conceito para um novo tipo de bota-robô que emula a função dos pedais da bicicleta. Usando a bota-robô, os corredores fornecem energia comprimindo uma mola com cada perna enquanto ela está no ar. A cada passo, a mola libera sua energia armazenada, empurrando contra o solo mais rápido e mais forte do que as pernas poderiam fazer de outra forma.

Descobrimos que uma bota-robô ideal permitiria ao corredor mais rápido da Terra usar as pernas 96% do tempo da etapa para correr mais rápido do que 20 metros por segundo, comparável à velocidade máxima do ciclismo. Uma bota-robô mais prática, que é usada apenas cerca de 60% do tempo da etapa, ainda pode ajudar um corredor a atingir a velocidade máxima de 18 metros por segundo. Isso é 50% mais rápido do que o recorde mundial de velocidade de 12 metros por segundo no sprint de 100 metros.

Velocidade máxima de locomoção movida a energia humana. Adaptado de A. Sutrisno, D. J. Braun, Como correr 50% mais rápido sem energia externa, vol. 6, não. 13, eaay1950, 2020., CC BY-ND .

O componente de alta tecnologia do robo-boot é um mola de rigidez variável que pode aumentar sua rigidez sem alterar sua energia armazenada. A rigidez da mola determina a força com que ela pode empurrar contra o solo para acelerar o corpo do corredor - quanto mais rígida a mola, maior a força dada à mesma compressão da mola.

Molas convencionais, como aquelas em canetas retráteis, têm uma rigidez constante com base no material, forma e tamanho da mola. Molas de rigidez variável são um tipo especial de mola que pode mudar de forma ou tamanho. Um tipo de mola de rigidez variável aumenta a rigidez ficando mais curta. Um mecanismo encurta a mola movendo o ponto de fixação da mola de sua extremidade para o meio. O mecanismo da bota-robô encurta a mola enquanto a corredora estende a perna no ar.

Correndo com botas-robô. Adaptado de A. Sutrisno, D. J. Braun, Como correr 50% mais rápido sem energia externa, vol. 6, não. 13, eaay1950, 2020., CC BY-ND .

Aumentar a rigidez da mola conforme o corredor ganha velocidade é análogo a mudar para uma marcha mais alta em uma bicicleta quando o ciclista anda mais rápido. Isso permite que os corredores forneçam mais energia e contornem a limitação biomecânica de fornecer energia apenas durante o curto tempo de contato com o solo durante a corrida em alta velocidade.

Próximos passos

As bicicletas de corrida modernas quase dobram a velocidade máxima de corrida. Robo-botas que alavancam a mecânica da bicicleta podem, da mesma forma, permitir que as pessoas corram mais rápido sem motores pesados ​​e baterias. Esperamos ter um protótipo inicial de robo-boot dentro de um ano. Mas assim como levou muitos anos após sua invenção para que as bicicletas tirassem o máximo proveito de sua mecânica única, levará algum tempo para fazer uma bota-robô que possa atingir todo o seu potencial.

Esses dispositivos mais portáteis movidos a energia humana podem permitir uma adoção mais ampla da tecnologia robótica vestível e podem ultrapassar os limites da busca e resgate, aplicação da lei e esportes. O que significaria para os primeiros respondentes poderem se mover 50% mais rápido? Um tênis de corrida que fornece um aumento de 50% na velocidade levaria a um novo evento nas Olimpíadas, semelhante à patinação no gelo e corrida de bicicleta?

Usando ciência e tecnologia robótica avançada, somos capazes de imaginar a próxima geração de botas-robô que oferecem o primeiro grande impulso ao movimento movido a energia humana desde a invenção do pedal de bicicleta no século XIX.

David Brown , Professor Assistente de Engenharia Mecânica e Engenharia da Computação, Universidade Vanderbilt

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original .

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