Å prøve å oppdatere trapper er som å finne opp hjulet på nytt: Det er ingen enkel oppgave å forbedre en enkel design som har tålt tidstesten. For mennesker med skader eller begrenset mobilitet er det heller ingen lett oppgave å klatre opp i trapp. Ved å hacking fysikken i trappnavigering, har et team av biomekaniske forskere funnet opp en prototype som kan hjelpe fremdriving av trapper, og deres brukere, til nye høyder.
Relatert innhold
- Kunst som terapi: Hvordan eldes kreativt
"Moren min liker å klage på at hun virkelig er aktiv og at hun kan gå over lange avstander, men hver gang det er trapper, har hun problemer med å klatre på dem, " sier Karen Liu, professor i informatikk ved Georgia Institute of Technology.
Liu, også den tilsvarende forfatteren på en studie i PLOS ONE som beskriver den nye trappeprototypen, erkjente at klatring av trapper er rangert som en av de vanskeligste aktivitetene for eldre eller skadde. Selv når individer ellers er fysisk sunne og mobile, mister du evnen til å navigere i trapper ofte den avgjørende faktoren som tvinger mennesker ut av hjemmene sine og inn i hjelpefellesskap.
Den nye trappeprototypen utnytter energi når en person går ned trappene, og resirkulerer den på vei opp igjen for å gi brukerne et løft. Det fungerer fordi, mot intuitivt, kaster bort mer energi på å gå ned trappene enn oppover.
Når du klatrer opp trappene, blir all energien du legger i bena til å bli potensiell energi - når du kommer til toppen er du høyere enn du var før. Å gå ned trappene er en annen historie. Med hvert trinn er kroppen din i hovedsak i et kontrollert fall, og energien musklene dine bruker for å forhindre en stygg tumle i bunnen, blir bortkastet. Liu trodde at bortkastet energi kunne fanges opp og returneres ved stigning.
"Det var ingen måte jeg kunne lage en slik enhet på, " sa Liu. Som informatiker hadde hun en god idé, men ingen måte å bygge en prototype på. Hun henvendte seg til Lena Ting, professor i biomedisinsk ingeniørfag ved Emory University og ekspert på menneskelig kinetikk. "Ingen kjenner bevegelse bedre enn Lena, " sier hun. Sammen med Tings daværende post-doktorgradsforsker Yun Seong Song, satte de hodene sammen og foredlet et design.
Til deres overraskelse var det et stykke kake å oppfinne rattet på nytt. "Det var ikke så vanskelig som jeg trodde det ville være, " sier Song. "Vi siktet etter enkelhet - vi hadde ikke tenkt på en fancy robot som kan bevege seg og snakke og ta gode avgjørelser." De prøvde bare å hacke seg inn i mekanikken som allerede skjer hver gang du går opp eller ned en trapp.
Hver slitebane av deres prototype hjelpemiddeltrapper for energigjenvinning er festet til fjærer. På vei ned trappen skyver trykk fra hvert fotsteg ned en bevegelig plattform, komprimerer fjærene og låser slitebanen på plass med en elektromagnetisk lås. De komprimerte fjærene fanger og holder på energien som ellers ville bli spredt. På vei opp igjen, registrerer en trykkmåler på hvert trinn foten, frigjør låsen, og fjærene frigjør den lagrede energien for å hjelpe fremdriften.
"Jeg tenkte, det er ingen måte dette kommer til å fungere, " minnes Ting. Fjærbelastede trinn bragte tankene til katapulter eller spretterter. Det er bra hvis du er en olympisk vaulter, men ikke hvis du er en eldre eller skadet person som bare prøver å komme deg oppover.
De gikk gjennom flere vårdesign og slo seg ned på en mild forlengelsesfjær. Hvis du står stille på deres nye trapp, trenger du ikke å bekymre deg for å bli katapultert til neste landing. Det er ikke før du er i bevegelse at de fjærende plattformene forsiktig hjelper foten opp til neste nivå. "Det kan bare hjelpe deg når du aktivt går opp eller ned, den kan ikke presse deg rundt, " sier Ting.
Å gå ned trappa "føles som å gå ned en bakke med veldig myk jord, " sier Song. “Det er som om du har en pute på hvert trinn, og når du går ned klemmer du dem. Du føler lav tyngdekraft. ”Den sensasjonen var lett å mestre for testpersonene de brakte inn i laboratoriet.
Å gå derimot, "Det er som om noen faktisk løfter foten, " sier Song. Alle har klemt seg gjennom soggy gress i regnet, men føler en spøkelsesaktig hjelp når du går opp trinnene? Det tar noen å bli vant til. Likevel, etter over 300 testkjøringer, rapporterte de ingen problemer med sikkerhet. De brukte også sensorer for å måle leddaktivitet, og viste at stigning av hjelpetrinn trengte betydelig mindre arbeid enn det som ble brukt på konvensjonelle trapper. Dessuten er prototypen deres samlet for en brøkdel av prisen for å installere heis eller trappheis.
Med disse lovende resultatene er teamet håpefulle at de har fått et produkt som kan markedsføres for å gjøre livet lettere for eldre eller skadde. "Trapp for resirkulering av energi er en god idé, " sier Steve Collins, professor i maskinteknikk ved Carnegie Mellon University, som ikke var involvert i studien.
"Musklene våre er fantastiske ting, " sier Collins. De blir sterkere for å passe til våre behov, de løper av drivstoff vi forsyner dem fra miljøet, og de heler seg selv. "Enhver ingeniør vil gjerne kunne gjøre noen av disse tingene, " sier han, men for alle de fantastiske egenskapene deres, er en ting musklene er dårlige på å resirkulere energi. Med denne nye trappen, sier Collins, har oppfinnerne hacket fysikken for å gjøre det musklene våre ikke kan. "De fanger og returnerer energien effektivt til deg."
Fordi trappene er enkle og rimelige å installere, tror Collins at de kunne la eldre mennesker eller de med begrenset mobilitet bo i hjemmene sine litt lenger. "Det kan virkelig gjøre en forskjell for mange mennesker, " sier han. "Med noen små justeringer ... tror jeg at dette kan være et godt produkt."
Liu og teamet hennes har en foreløpig patent på deres hjelpetrinn, men markedsføring av oppfinnelsen vil avhenge av interesse. De har mange ideer, og kan til og med implementere en serie nye funksjoner for trappene sine, som å lagre fanget energi til bruk i andre applikasjoner. I stedet for å hjelpe til å stige trappene, for eksempel, kunne de jerry-rigge en mekanisme som kan skyss den energien for å lade en mobiltelefon i stedet.
Neste på deres docket er det ganske enkelt å utvikle et komplett sett med trapper som vil bygge på den eksisterende prototypen. På slutten av dagen er målet deres å hjelpe de med nedsatt bevegelighet å holde seg i hjemmet. Liu fortalte om å vise moren sin prototypetrinn. "Kommentaren hennes var: 'Vel, du hadde det bedre.'"
