At prøve at opdatere trapper er som at opfinde hjulet igen: Det er ingen let opgave at forbedre et enkelt design, der har modstået testen af tid. For mennesker med kvæstelser eller begrænset mobilitet er det heller ingen let at klatre op i en trappe. Ved at hacking af fysik i trappe-navigation har et team af biomekaniske forskere opfundet en prototype, der kunne hjælpe med at skabe trapper, og deres brugere, til nye højder.
Relateret indhold
- Kunst som terapi: Sådan ældes kreativt
”Min mor kan lide at klage over, at hun virkelig er aktiv, og at hun kan gå over lange afstande, men hver gang der er trapper, har hun svært ved at klatre på dem, ” siger Karen Liu, professor i datalogi ved Georgia Institute of Technology.
Liu, også den tilsvarende forfatter på en undersøgelse i PLOS ONE, der beskriver den nye trappeprototype, erkendte, at klatring af trapper er rangeret som en af de vanskeligste aktiviteter for ældre eller sårede. Selv når individer ellers er fysisk sunde og mobile, er det ofte den afgørende faktor, der tvinger folk ud af deres hjem og ind i hjælpebeboende samfund at miste evnen til at navigere på trapper.
Den nye trappeprototype udnytter energi, når en person kommer ned ad trappen og genanvender den på vej tilbage op for at give brugerne et løft. Det fungerer, fordi folk, counter-intuitivt, spilder mere energi på at gå ned ad trappen end op.
Når du klatrer op ad trappen, bliver al den energi, du lægger i at hæmme dine ben, omdannet til potentiel energi - når du kommer til toppen, er du højere end du var før. At falde ned ad trappen er en anden historie. Med hvert trin befinder din krop sig hovedsageligt i et kontrolleret fald, og energien, som dine muskler bruger, for at forhindre en grim tumle til bunden, spildes. Liu troede, at spildt energi kunne indfanges og returneres ved opadgående stigning.
”Der var ingen måde, jeg kunne oprette en sådan enhed på, ” sagde Liu. Som computerforsker havde hun en god idé, men ingen måde at faktisk opbygge en prototype. Hun henvendte sig til Lena Ting, professor i biomedicinsk ingeniørarbejde ved Emory University og ekspert i menneskelig kinetik. ”Ingen kender bevægelse bedre end Lena, ” siger hun. Sammen med Tings daværende postdoktorale forsker Yun Seong Song satte de deres hoveder sammen og forfinede et design.
Til deres overraskelse var genopfindelsen af hjulet et stykke kage. ”Det var ikke så svært, som jeg troede, det ville være, ” siger Song. ”Vi sigtede efter enkelhed - vi var ikke på udkig efter en fancy robot, der kan bevæge sig og tale og tage gode beslutninger.” De prøvede bare at hacke sig ind i mekanikken, der allerede sker, hver gang du går op eller ned ad en trappe.
Hver slidbane af deres prototype hjælpemiddeltrapper med energegenbrug er fastgjort til fjedre. På vej ned ad trappen skubber tryk fra hvert fodspor ned en bevægelig platform, komprimerer fjedrene og låser slidbanen på plads med en elektromagnetisk lås. De komprimerede fjedre fanger og holder fast ved den energi, der ellers ville blive spredt. På vej tilbage op registrerer en trykmåler på hver slidbane foden, frigør låsen, og fjedrene frigiver den lagrede energi for at hjælpe med at fremskynde stigningen.
”Jeg tænkte, der er ingen måde, dette kommer til at fungere, ” minder Ting. Fjederbelastede trin bragte visioner om katapulter eller sejlbilleder i tankerne. Det er fint, hvis du er en olympisk vaulter, men ikke hvis du er en ældre eller såret person, som bare prøver at komme dig ovenpå.
De gennemgik flere forårskonstruktioner og slog sig ned på en blid forlængelsesfjeder. Hvis du står stille på deres nye trappe, behøver du ikke at bekymre dig om at blive katapulteret til den næste landing. Det er først du er i bevægelse, at de fjedrede platforme forsigtigt hjælper din fod op til det næste niveau. ”Det kan kun hjælpe dig, når du aktivt går op eller ned, det kan ikke skubbe dig rundt, ” siger Ting.
At gå ned ad deres trapper "føles som at gå ned ad en bakke med meget blød jord, " siger Song. ”Det er som om du har en pude i hvert trin, og når du går ned, klæber du dem. Du føler lav tyngdekraft. ”Denne fornemmelse var let at mestre for de testpersoner, de bragte ind i laboratoriet.
På den anden side går han op, "Det er som om nogen faktisk løfter foden, " siger Song. Alle har skubbet igennem det tunge græs i regnen, men føler en spøgelsesrig hjælp, når du går op ad trappen? Det tager nogle at vænne sig til. Efter mere end 300 testkørsler rapporterede de stadig ingen problemer med sikkerhed. De brugte også sensorer til måling af fællesaktivitet og viste, at stigning af hjælpetrin krævede markant mindre arbejde end hvad der bruges på traditionelle trapper. Derudover er deres prototype samlet for en brøkdel af prisen for installation af en elevator eller trappehejs.
Med disse lovende resultater håber teamet, at de har et produkt, der kan markedsføres for at gøre livet lettere for ældre eller sårede. ”Trin til genanvendelse af energi er en god idé, ” siger Steve Collins, professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University, som ikke var involveret i studiet.
”Vores muskler er fantastiske ting, ” siger Collins. De bliver stærkere, så de passer til vores behov, de løber tør for brændstof, vi leverer dem fra miljøet, og de heler sig selv. ”Enhver ingeniør ville meget gerne være i stand til at gøre nogle af disse ting, ” siger han, men for alle deres fantastiske evner er en ting, muskler er dårlige til, at genanvende energi. Med denne nye trappe, siger Collins, har opfinderne hacket fysikken for at gøre, hvad vores muskler ikke kan. "De fanger effektivt og returnerer energien til dig."
Fordi trappen er let og billig at installere, mener Collins, at de kunne lade ældre mennesker eller personer med begrænset mobilitet bo i deres hjem lidt længere. ”Det kunne virkelig gøre en forskel for mange mennesker, ” siger han. "Med nogle små justeringer ... Jeg tror, at dette kunne være et godt produkt."
Liu og hendes team har et foreløbigt patent på deres hjælpetrin, men markedsføring af deres opfindelse afhænger af interesse. De har mange ideer og kan endda implementere en række nye funktioner til deres trapper som at opbevare den indfangede energi til brug i andre applikationer. I stedet for at hjælpe med at stige op ad trappen, kunne de for eksempel jerry-rigge en mekanisme, der kunne transportere den energi til at oplade en mobiltelefon i stedet.
Dernæst på deres docket er blot at udvikle et komplet sæt trapper, der dog vil bygge på den eksisterende prototype. I slutningen af dagen er deres mål at hjælpe handicappede med at blive i deres hjem. Liu fortalte om, at hun viste sin mor deres prototrappe. ”Hendes kommentar var: 'Nå, du havde det bedre.'"
