文献综述
- 研究背景和意义
作为人类在近代强化个体能力、拓展个体潜能方面的探索方向之一，人体助力装备一直以来就是一个比较热门的研究领域，而下肢助力装备便是该领域的一个重要分支。下肢助力装备一般指以人体为中心，根据人体运动信息，适应人类两足步行或是奔跑的特性，与人体有机结合的辅助装备。这种助力装备的基本功能一般是通过装备控制人类运动过程中动力的合理分配、减少多余能量耗散，来提高人类移动速度和弹跳能力，以使人体能适应更高的要求。在当今社会中，这种助力装备有着广泛的应用前景，其中可穿戴式的助力机动鞋便是典型的代表，部分结构简单和使用方便的助力鞋已经开始投入生产，在民用领域和体育领域有了一定程度的普及。而仿生应用原理的加入，使得这种助力鞋的研究有了更广阔的前景，通过对高机动生物高速机制的研究，我们得以进一步优化和改良助力鞋的结构，更加合理的控制跑步过程中步态间的力学过程，提高能量利用效率，以实现更快的奔跑和更高的弹跳。该课题拟在保留现有助力机动鞋的优点的前提下，进一步提高该类设备对人体移动速度和弹跳能力的强化，同时增加维稳机构和制动机构，使其更易于使用和更加安全；同时，本课题拟实现猫科动物高机动机制对人类运动信息的适应，使装备更加符合人体工学，对助力机动鞋在民用领域乃至军事领域的应用和普及有所助力。
- 国内外研究情况
近代仿生学的提出，为人类在开发个体潜能指明了一条前景广阔的坦途，助力鞋的研究也因此逐渐成为一个热门的领域，在美国和欧洲已经有了很长一段研究历史，并取得了一定程度上的成就，研究成果也有所应用和普及。而在国内，这种辅助装备的研究也正在起步，受限于认识较晚，目前更优良的结构还只停留在实验室中。
1.Kangoo Jump回弹鞋
由美国Kangoo Jump公司研制，作为运动健身器材开发的一种下肢助力装备。这种装备设计初衷是为了帮助那些在运动中受伤的人复健而研发，运动时这种鞋可以缓冲高达80%的弹跳冲击力，保护关节免受伤害。该回弹鞋外形同旱冰鞋相似，鞋子底部安装椭圆形弹簧，下肢向下作用时，弹簧受压呈扁平状，后发生回弹，给人向上的动力。这种回弹鞋的原理基于袋鼠高机动机制的仿生，主要通过弹性势能-动能转化机制，减少步态间能量和动量的损失，来达到提高弹跳能力的作用，并间接起到提高移动速度的效果。但由于这种回弹鞋缺少维稳结构和制动结构，并且对路面情况有较高的要求，所以目前仅用于体育健身领域。
2.Enko弹簧助力跑鞋
Enko减震鞋的创意源于法国跑步运动员Christian Freschi于2002年提出的想法，后由Freschi 和他的团队设计而成。该种弹簧助力鞋基于对猫科动物脚掌肉垫减震吸能以辅助高速运动的机制的仿生，通过分别在足底设置两条弹簧，实现能最大程度地转换着地时产生的动能的功能，当使用者脚跟着地时，弹簧部分会加以吸震、储存能量，而随着使用者抬起脚跟，因为地面阻碍了弹簧的伸展，储存的能量便会产生一个朝向鞋子的推力。依靠这样的力量，使用者便能轻松地跑动。同时，因为鞋子吸收了接触地面的冲击力，还能有效降低受伤的可能性。
3.Ossur-J型-豹式假肢
Ossur- J型-豹式假肢由美国生物医药学工程师范·菲利普设计并研发而成，这种机械假肢基于J型设计的受力特性和碳纤维材料的J型微观结构，使运动员在奔跑时所施加的、向下的力，正好顺着碳纤维的纹理作用，使受力沿J型曲线正好垂直于纤维的纹路。随着远动员迈步时对地用力的变化，曲线也随之弯曲。而当运动员脚部逐渐离开地面时，之前给予曲线的能量会通过J型坚硬的顶端释放到身体上，产生向前的冲力。这种结构跑动时能将97%的能量反弹，因此穿戴者速度越跑越快，后程速度为正常人所不能及。同时由于乳酸产生量少，碳纤维弹性十足，使用者奔跑速度不会减慢，到达相同速度时，义肢选手比正常选手少支出25%的体能，健全人每跑一步释放的能量是使用义肢者的3倍。但这种结构因肌肉群发力要求与正常人不同，同时转弯性能较差，且起步速度缓慢，目前尚未有应用与助力鞋方向的研究，相关的稳定结构和制动结构也尚未成熟。
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