האם אפשר להעמיס על עצמנו עוד משקל בצורת שלד חיצוני, וגם להפיק מזה אנרגיה? מחקרים חדשים מראים: בהחלט כן

כשאנחנו נעים - הולכים, רצים, או אפילו מרימים את היד לגרד את האוזן - אנחנו מנצלים אנרגיה כדי לעשות זאת. האנרגיה שבתנועות שלנו יכולה לשמש גם להפקת אנרגיה חשמלית, ואמנם, מכשירים שעושים זאת קיימים כבר עשרות שנים – למשל דינמו של אופניים, שמנצל את תנועת הדיווש שלנו כדי להפעיל את הפנסים. בשנים האחרונות החלו מדענים ומהנדסים לפתח את הדור הבא של המכשירים האלו: התקנים ש"יתלבשו" על התנועה הטבעית של הגוף ויפיקו ממנה אנרגיה חשמלית. סוג אחד של התקנים שכאלו נקרא "שלד חיצוני מלאכותי". סוגים שונים של שלדים כאלה נועדו לשרת מטרות שונות, כולל לשפר את יעילות ההליכה שלנו וכן, כאמור, להפיק אנרגיה חשמלית מהתנועה הטבעית של הגוף. ההתקנים החדשים ביותר מסוגלים לעשות זאת כאשר במקביל הם גם מאפשרים למשתמש להוציא פחות אנרגיה - בניגוד לדוגמה של האופניים, בהן הרוכב צריך להשקיע יותר בדיווש כדי להדליק את הפנס.

כנגד שלושה שלדים דיברה תורה

השלדים החיצוניים המלאכותיים שנועדו לשפר את יעילות ההליכה של המשתמש נחלקים לשלושה סוגים עיקריים, בהתאם לאופן צריכת האנרגיה שלהם:

·אקטיביים: השלד החיצוני מוסיף אנרגיה משלו, לרוב אנרגיה חשמלית שמקורה בסוללות, אשר מצטרפת לאנרגיית השרירים של המשתמש. על פי רוב, האנרגיה שהשלד החיצוני מספק מסייעת לשרירים בעזרת מנועים שמשתתפים בהנעת חלקי הגוף.

·פסיביים: השלד החיצוני אינו מוסיף אנרגיה חיצונית אלא ממחזר את האנרגיה של השרירים, בדרך כלל בעזרת מערכת קפיצים שאוגרת אנרגיה בשלב מסוים של ההליכה ומשחררת אותה בשלב אחר.

·"מסלקי אנרגיה": השלד החיצוני מפחית את כמות האנרגיה הכוללת הדרושה להליכה, כלומר הליכה עם השלד החיצוני דורשת פחות אנרגיה מאשר בלעדיו, ונוסף על כך, חלק מהאנרגיה המושקעת נאגרת בצורה של אנרגיה חשמלית.

אדם הולך במסדרון בית חולים עם שלד מלאכותי על רגליו | Shutterstock, Ivan Chudakov
שלדים חיצוניים מלאכותיים מסוגלים לשפר את יעילות ההליכה. אדם הולך במסדרון בית חולים עם שלד מלאכותי על רגליו | Shutterstock, Ivan Chudakov

מיליוני שנות אבולוציה הפכו את ההליכה שלנו לפעולה יעילה ביותר. לפיכך, בניית שלד חיצוני מלאכותי שיקטין את כמות האנרגיה שהמשתמש צריך להשקיע בה וגם יאגור חשמל היא אתגר לא פשוט.

שרירי גופנו ממירים את האנרגיה הכימית שמקורה במזון לאנרגיה מכנית, כלומר תנועה. ההמרה מאנרגיה כימית לאנרגיה מכנית יעילה במיוחד כאשר אנחנו מאיצים, אבל פחות יעילה כאשר השרירים מתפקדים כבלמים. צוות חוקרים קנדי-אמריקאי בחנו ביסודיות את מחזור ההליכה באמצעות מצלמות מהירות ומדי-כוח, וחיפשו שלבים שבהם השרירים פועלים כדי להאט את ההליכה, כלומר פועלים כבלמים. הבדיקה הראתה כי שלב הבלימה העיקרי הוא רגע לפני הנחת הרגל על הקרקע. בלימה היא תהליך יעיל יותר במכונות מאשר בבני אדם, ולכן שלד שפועל רק בשלבי הבלימה מסוגל להביא לידי ביטוי את הערך המוסף של המכונות ולחסוך באנרגיה. ההתקן של צוות חוקרים זה, המולבש על הברכיים, מסייע ללובש לבלום ומסוגל לייצר אנרגיה חשמלית הגבוהה בכ-40 אחוז מהאנרגיה שהמשתמש נדרש להוסיף כדי לשאת את ההתקן. כיצד ייתכן שהאנרגיה החשמלית שמתקבלת גבוהה יותר מהאנרגיה הנוספת שהמשתמש צריך להשקיע? ההישג הזה מתאפשר משום שהפעלה מתוזמנת כראוי של השלד החיצוני בתור בלם מייצרת חשמל גם מאנרגיה שבהליכה רגילה מתבזבזת בצורת חום.

סרטון שמראה שלד חיצוני שאוגר חשמל מהתנועה של הלובש:

שלד עם גנרטור

בניגוד לחוקרים אלה, אשר התמקדו בהפקת חשמל מתהליך ההליכה, קבוצת חוקרים מ-Queen's University בקנדה החליטו להתמקד בהקטנת כמות האנרגיה שהמשתמש צריך להשקיע. במאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Science, הסבירו החוקרים כי לשם כך הם תכננו התקן שמשקלו 1.1 ק"ג בלבד שמולבש על הגב של המשתמש, קרוב למרכז המסה שלו. בכך הם הקלו את הנשיאה של המכשיר בהשוואה להתקנים קודמים, שמוקמו בעיקר על הקרסוליים או הברכיים. הגנרטור הנישא על גב המשתמש מחובר בעזרת מערכת גלגלות לשני כבלים, אחד לכל רגל. המחשב ששולט בהתקן עוקב אחר מהלך התנועה וקובע מתי כל כבל יתחבר לגנרטור, וכך יטען אותו, ומתי הכבל ינותק מהגנרטור וכך התנועה של המשתמש תהיה חופשית. כאשר הכבל מחובר לגנרטור, חלק מאנרגיית התנועה של הרגל מסובבת את הגנרטור ומומרת לאנרגיה חשמלית, במקום להתבזבז בצורת חום כחלק מתהליך הבלימה של הרגל. השלד החיצוני "לוקח עליו" חלק מהבלימה, וכך מקטין את השקעת האנרגיה הנדרשת מהמשתמש.

 נבדק הולך על מכשיר הליכה עם ההתקן | Queen’s University Faculty of Engineering and Applied Science
ההתקן הקטן מולבש על הגב, ומחובר לרגליים באמצעות כבלים. נבדק הולך על מכשיר הליכה עם ההתקן | Queen’s University Faculty of Engineering and Applied Science

החוקרים תכנתו את ההתקן כך שהגנרטור יסייע לתהליך הבלימה רק בשלב שבו שרירי מיתר הברך (hamstring muscles) משתתפים בתהליך הבלימה באופן המאומץ ביותר. מכיוון שבתהליך הבלימה מעורבים גם גידים ורקמות אחרות שאינן צורכות אנרגיה באופן אקטיבי, החליטו החוקרים לנסות להפריע מעט ככל האפשר להשתתפותם בפעולת הבלימה הטבעית, ולהפעיל את טעינת הגנרטור תוך שקלול פעולת הגידים. החוקרים מצאו כי תכנון נכון של הזמן שבו המערכת מסייעת למשתמש בבלימה והמידה שבה היא מסייעת יכול להקטין את צריכת האנרגיה הכוללת של המערכת, וכך הצליחו לחסוך 2.5 אחוזים מצריכת האנרגיה של המשתמש ולייצר 0.25 ואט של חשמל. אמנם, התקנים אחרים כבר הצליחו להפיק חשמל, ואף בכמויות גדולות יותר, אך זוהי הפעם הראשונה שהתקן שמייצר חשמל הצליח גם להקטין את כמות האנרגיה שהמשתמש היה צריך להשקיע ביחס להליכה ללא ההתקן - כלומר, לאפשר לו ללכת בקלות רבה יותר.

סרטון של אוניברסיטת קווינס שמסביר על ההתקן:

במערכות עתידיות יהיה אפשר לשפר את יעילות ההתקן על ידי ניצול שלבים נוספים של ההליכה, חיבור ההתקן למפרקים אחרים מלבד הברך וביצוע פעילויות אחרות מלבד הליכה על קרקע ישרה. פעילויות כגון ריצה, הליכה במורד מדרגות וכו' עשויות לספק הזדמנות מתאימה לסייע לגוף לנוע - למשל לסייע בבלימה כמו בהתקן החדש - ותוך כדי כך גם לייצר חשמל. הדור הבא של השלדים החיצוניים המלאכותיים יכלול בוודאי מערכות היזון חוזר מורכבות יותר, שיהיו מבוססות על חיישנים שיעקבו אחר תנועת הגוף, על אלגוריתמים של למידת מכונה ועוד. מערכות שכאלה יוכלו לסייע למשלחות חיפוש והצלה, לחיילים, למטיילים ועוד.