ЭКЗОСКЕЛЕТЫ ПАССИВНОГО ТИПА: ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ЦЕНА СНИЖЕНИЯ

НАГРУЗКИ НА НОГИ И ПЕРЕНОС КОМПЕНСАТОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА

НЕАДАПТИРОВАННЫЕ ГРУППЫ МЫШЦ СПИНЫ И ПЛЕЧ

Авторы:

Старший преподаватель Скитович Игорь Владимирович

Курсант Ярковой Ярослав Романович

Учреждение:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего

образования «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-

воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

---

АННОТАЦИЯ

Актуальность. Внедрение пассивных экзоскелетов в военную и производственную сферы

нацелено на снижение нагрузки на опорно-двигательный аппарат нижних конечностей.

Однако системный физиологический эффект таких устройств остается недостаточно

изученным.

Цель. Оценить физиологическую «цену» использования пассивного экзоскелета путем

анализа перераспределения мышечного тонуса и компенсаторного напряжения в

проксимальных отделах туловища.

Методы. Проведен биомеханический анализ (тензодинамография, поверхностная

электромиография) у 20 испытуемых при ходьбе с экзоскелетом и без него.

Результаты. Зафиксировано достоверное снижение нагрузки на икроножные и

четырехглавые мышцы (на 18–22%), однако выявлено статистически значимое

возрастание тонической активности трапециевидных, ромбовидных и длиннейшей

мышцы спины (на 34–41%) за счет изменения кинематической схемы переноса центра

масс.

Выводы. Пассивная разгрузка ног достигается ценой формирования патологического

стереотипа движений и хронического перенапряжения неадаптированных мышц

плечевого пояса и спины, что требует разработки корректирующих комплексов

реабилитации.

Ключевые слова: пассивный экзоскелет, компенсаторное напряжение, биомеханика

ходьбы, электромиография, физиологическая цена, мышечный дисбаланс.

---

1. ВВЕДЕНИЕ

Современные пассивные экзоскелеты представляют собой ортезные системы,

аккумулирующие энергию в упругих элементах (торсионы, газовые амортизаторы) для

возврата механической работы на фазе отталкивания. В военно-прикладной сфере они

рассматриваются как средство повышения маршевых возможностей личного состава [1].

Однако фундаментальная физиология движений постулирует принцип неизбежности

распределения работы: снижение нагрузки на один биокинематический сегмент

сопровождается ее перераспределением на смежные звенья кинетической цепи [2]. В

литературе детально освещены локальные эффекты разгрузки коленных и

голеностопных суставов, но практически отсутствуют данные о системном ответе мышц-

стабилизаторов осевого скелета.

Цель исследования — количественно оценить изменения миотонического статуса мышц

спины и плечевого пояса при использовании пассивного экзоскелета нижних конечностей

в условиях длительной ходьбы.

Задачи:

1. Сравнить показатели ЭМГ-активности основных мышечных групп в режиме «с

экзоскелетом» и «без».

2. Выявить корреляции между снижением нагрузки на ноги и ростом компенсаторного

напряжения в проксимальных отделах.

3. Обосновать физиологическую «цену» данного вида технической поддержки.

---

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Дизайн: рандомизированное перекрестное исследование.

Испытуемые: 20 мужчин (возраст 20–24 года, группа здоровья I, без ортопедической

патологии). Все участники дали письменное информированное согласие.

Экзоскелет: пассивный модульный экзоскелет «ExoR-2» (масса 4,2 кг) с торсионно-

пружинными приводами в тазобедренном и коленном суставах.

Протокол: тредмил-тест (скорость 4,5 км/ч, продолжительность 30 минут). Выполнялись

два сеанса с интервалом 48 часов.

Методы регистрации:

· Поверхностная ЭМГ (частота дискретизации 2000 Гц) на икроножной мышце, прямой

мышце бедра, выпрямляющей позвоночник мышце(на уровне Th10–L1), трапециевидной

мышце(нисходящая часть),ромбовидной мышце

· Тензодинамографическая дорожка для регистрации вертикальной реакции опоры.

· Гониометрия тазобедренного и плечевого суставов.

---

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Изменение нагрузки на нижние конечности

При активации экзоскелета пик вертикальной силы в фазе опоры снизился на 19,3%

(p=0,012), интегральная ЭМГ-активность прямая мышца бедра уменьшилась на 21,7%

(p=0,008). Это подтверждает заявленную производителем эффективность разгрузки

передней группы бедра. Одновременно зафиксировано укорочение фазы двойной опоры

на 12%, что указывает на изменение временной структуры шага.

3.2. Компенсаторные изменения в мышцах спины и плеч

Ключевым механизмом является изменение угла наклона туловища: для сохранения

равновесия при смещенном вперед центре масс (за счет массы каркаса) испытуемые

рефлекторно увеличивали тонус разгибателей спины и поднимали плечевой пояс, что

создало эффект «верхнего стабилизирующего корсета».

3.3. Корреляционный анализ

Выявлена сильная отрицательная связь между снижением активности икроножной

мышцы и ростом активности трапециевидной мышцы (ρ = –0,72, p=0,003). Это

свидетельствует о том, что чем эффективнее экзоскелет разгружает голень, тем больше

компенсаторное напряжение на плечи – формируется «перекрестный компенсаторный

синдром».

3.4. Физиологическая цена адаптации

Под «физиологической ценой» мы понимаем совокупность метаболических,

биомеханических и нейрогенных затрат, превышающих энергетический выигрыш от

снижения нагрузки на ноги. Расчет индекса экономичности (отношение экономии работы

ног к дополнительной работе мышц туловища) показал значение 0,63, что говорит о

негативном балансе: система платит больше, чем получает.

Кроме того, через 20 минут теста у 85% испытуемых зафиксированы микровибрации в

трапециевидных мышцах (частота 8–12 Гц), характерные для наступающего мышечного

тремора – предиктора хронического перенапряжения.

---

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Пассивные экзоскелеты нижних конечностей объективно снижают механическую

нагрузку на мышцы-разгибатели голени и бедра, однако это достигается путем

принудительной проксимальной миграции компенсаторного напряжения.

2. Группы мышц спины и плечевого пояса, не проходящие специфической адаптации в

штатном режиме ходьбы, подвергаются хронической статической перегрузке, что создает

предпосылки для формирования болевых синдромов (торакалгия, плече-лопаточный

периартрит) и снижения общей выносливости.

3. Рекомендуется:

· включение в регламент использования экзоскелетов специальных компенсаторных

упражнений на разгрузку плечевого пояса;

· ограничение времени непрерывного ношения пассивных систем до 15–20 минут с

последующим активным отдыхом;

· пересмотр конструктивных решений в пользу активных (с обратной связью) систем,

способных перераспределять нагрузку более физиологично.

Перспективы исследования: разработка математической модели многозвенного маятника

с переменной жесткостью для прогнозирования точек перегрузки при изменении

параметров экзоскелета.

---

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов А.А., Петров Б.В. Экзоскелеты в боевой подготовке: биомеханический аспект //

Вестник военной медицины. – 2023. – Т. 45, № 2. – С. 112–119.

2. ГОСТ 7.32–2017. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила

оформления. – М.: Стандартинформ, 2017.