Когда мы ходим, бежим или прыгаем, нога встречается с поверхностью и отталкивается от неё с равной силой. Это сила реакции опоры (СРО). Её составляющие очень важны, поскольку влияют на движение всего тела при любой физической активности.
Ученые из Университета Портсмута в Великобритании вместе с технологической компанией TG0 разработали умные стельки, которые точно и естественно фиксируют СРО в трех измерениях. Они обеспечивают анализ движений в реальном мире, что полезно для спортивной науки и медицины.
«Мы хотели создать доступную и портативную альтернативу дорогостоящему лабораторному оборудованию», - сказал ведущий автор исследования Динхуан Чжан (Dinghuang Zhang) из TG0. Такие стельки помогут спортсменам улучшить свои показатели, пригодятся врачам в реабилитации и даже обычным энтузиастам ЗОЖ позволят отслеживать свои движения в оздоровительных целях.
Трехмерность инновационных стелек обусловлена их способностью измерять три компонента СРО: медиально-латеральный, передне-задний и вертикальный.
Медиально-латеральная сила - действует поперек стоп, когда вы делаете шаг в сторону, например, при движении боком в баскетболе.
Передне-задняя сила - направлена вперед и назад и показывает ускорение или торможение, происходящее во время бега.
Вертикальную силу вы ощущаете, когда приземляетесь после прыжка. Как правило, это самый сильный из трех компонентов и его можно рассматривать как силу, поддерживающую вес тела.
Все три компонента необходимы для оценки походки и того, как на нее влияют травмы, мышечная усталость, осанка и равновесие, а также нейромышечные связи.
В настоящее время золотым стандартом измерения СРО являются силовые пластины и инструментальные беговые дорожки. Однако силовые пластины фиксируют силу реакции на толчок только для одного шага за раз и ограничиваются стационарной установкой. Хотя инструментальные беговые дорожки собирают данные непрерывно, они, как правило, нарушают естественную походку человека.
Именно поэтому ученые стремились создать что-то более портативное и доступное, для чего потребовалось сотрудничество University of Portsmouth’s School of Computing и School of Psychology, Sport and Health Sciences.
«Это партнерство наглядно продемонстрировало преимущества сотрудничества, позволяющего объединить различные области», - говорит доктор Тим Экселл (Dr. Tim Exell), старший преподаватель биомеханики и реабилитологии в университете и соавтор исследования.
«Все движения человека, будь то элитный спорт, отдых или реабилитация, происходят под действием набора сил, и возможность точно измерить эти силы вне лабораторных условий является важным фактором улучшения спортивных результатов, выявления рисков травм и ускорения восстановления после них и различных заболеваний».
Присоединяйтесь к нам в Telegram или ОК - анонсы всех статей там.
Интеллектуальная стелька TG0 имеет встроенные датчики давления и инерционный измерительный блок (IMU) для отслеживания давления и движения стопы. IMU содержит массив датчиков, которые измеряют движение, определяя скорость движения стопы в разных направлениях (акселерометр), ее вращение (гироскоп) и направление (магнитометр). Программное обеспечение использует все измерения, полученные датчиками давления и IMU, для иллюстрации СРО.
Учёные протестировали стельки TG0 Smart Insole на группе из пяти здоровых взрослых людей с разным весом и ростом. Сначала участники провели разминку, включавшую ходьбу и прыжки, чтобы свести к минимуму вариативность данных, вызванную ригидностью мышц или новизной оборудования. Затем, уже со стельками, их попросили выполнить ряд движений на силовой плите: глубокое приседание, шагание на месте, бег на месте, раскачивание влево и вправо, прыжки на месте...
Сравнив данные СРО, полученные с помощью стелек и силовой пластины, которая использовалась в качестве эталона, учёные обнаружили, что стельки надежно предсказывают СРО с коэффициентом ошибки 4,16%. Коэффициент ошибки отражает нормализованную среднеквадратичную ошибку (NRMSE), которая является мерой точности прогнозирования по сравнению с золотым стандартом измерений при помощи силовой пластины.
Несмотря на низкое значение погрешности, важно учитывать контекст, в котором будут использоваться эти стельки, поскольку допустимая погрешность может варьироваться в зависимости от области применения, например, реабилитация и здравоохранение в сравнении со спортивными результатами. Тем не менее, исследователи отметили, что в исследованиях других методов измерения СРО, таких как датчики движения или стельки для измерения давления, ошибки NRMSE были от 8 до 20%.
Исследование было опубликовано в журнале Intelligent Sports and Health.
Умные стельки взаимодействуют через Bluetooth low-energy (BLE) с USB-ключом на базе компьютера и оснащены встроенным аккумулятором, который непрерывно собирает данные в течение примерно восьми часов.
Учёные предполагают, что их умные стельки будут использоваться в нескольких областях. Спортсмены смогут отслеживать свои движения, оптимизировать тренировки и снизить риск травм; врачи и физиотерапевты будут использовать их для наблюдения за пациентами с проблемами подвижности или восстанавливающимися после травм; стельки смогут собирать данные для исследований в области спортивной науки и биомеханики.
Однако главным стимулом для разработки умных стелек была необходимость улучшения ухода за ногами диабетиков. Диабетики подвержены риску периферической нейропатии - снижению чувствительности стоп и риску возникновения язв, которые могут инфицироваться и в худшем случае потребовать ампутации. Умная стелька с датчиком давления уменьшит этот риск.
Полезно знать: Пять самых бестолковых упражнений в истории фитнеса
«Задача TG0 - использовать встроенный искусственный интеллект и недорогие материалы для революции в области человеко-машинных интерфейсов, сделать их доступными, устойчивыми и умными», - говорит доктор Люченг Гуо (Dr Liucheng Guo), соучредитель и технический директор компании, а также автор исследования.
«Объединив академические исследования с промышленным опытом, мы усовершенствовали нашу недорогую технологию интеллектуального зондирования, которая может изменить взаимодействие человека с миром как в спорте, так и в здравоохранении. Это исследование прокладывает путь к интеллектуальным сенсорным решениям следующего поколения, которые выйдут за рамки спорта и найдут широкое применение в здравоохранении».
Автор: Paul McClure
Перевод: Виктор Трибунский
Источник