Трибологи Института проблем машиноведения РАН изучили особенности биомеханики фрикционного взаимодействия стопы с опорной поверхностью и их влияния на устойчивость процесса двуногой ходьбы, что в перспективе поможет в создании инновационных ортезов и протезов. О результатах работ ученые ИПМаш РАН сделали доклад «Канонические закономерности ударно-фрикционного взаимодействия стопы с опорной поверхностью» в Перми на Международной конференции по Биомеханике, а также опубликовали статью в научном журнале “Приборостроение”.

Изучение закономерностей реакций стопы при стандартной двуногой ходьбе играет ключевую роль в понимании биомеханики человека. Эти данные позволяют не только корректно моделировать процесс ходьбы, но и создавать более совершенные протезы. Анализ распределения нагрузок, динамики контакта с опорной поверхностью и адаптации стопы к различным условиям открывает новые возможности в робототехнике, протезировании и реабилитационной медицине.

Целью исследования ученых ИПМаш РАН было установление ключевых закономерностей взаимодействия стопы с опорной поверхностью, включая анализ сил, моментов и деформаций на разных фазах шага. Полученные результаты лягут в основу разработки эргономичного ортеза голеностопного сустава, который должен обеспечивать оптимальную поддержку, снижать усталость и минимизировать риск травм.

“Были проведены эксперименты по захвату движений и исследована кинематика опорно-двигательной аппарата. С помощью динамометрической платформы определены нормальные и касательные реакции стопы со статическим подходом к расчету. В развитие динамического подхода были апробированы авторские мэмс-акселерометры для исследования ударных взаимодействий, регистрируемых в долях ускорений свободного падения. Этот подход позволил впервые установить, что ударные импульсы при ходьбе локализованы в трех точках стопы (пятка и плюсны большого пальца и мизинца), а не в двух, как было принято ранее (пятка-носок)”, — сказал главный научный сотрудник ИПМаш РАН Виктор Мусалимов.

Чтобы изучить силы трения и удары, возникающие при ходьбе, исследователи применили специальные математические функции (функции Эрмита), которые помогли упростить анализ. Они также перешли к безразмерным величинам, что позволило выявить четкие закономерности. Оказалось, что продольное трение (скольжение) и поперечное трение (верчение) связаны между собой математическими уравнениями.

Кроме того, ученые выяснили, что при ходьбе стопа свободной ноги колеблется особым образом, обеспечивая устойчивость процесса двуногой ходьбы. А вот опорная стопа в в фазе переката движется по траектории, напоминающей «змейку», что можно описать с помощью модели деформируемого упругого спирально-анизотропного цилиндра. Эти результаты помогают лучше понять механику ходьбы и могут быть полезны при разработке роботов, ортезов и ортопедических устройств.

В дальнейшем планируется усовершенствовать конструкцию протезов голеностопного сустава, разработать мехатронную систему управления его жесткостью и трением в узлах трения (включая взаимодействие конструкции с кожей), а также создать систему дистанционного мониторинга состояния всего устройства.