Попытка обновить лестницу - это все равно, что заново изобрести колесо. Улучшение простой конструкции, выдержавшей испытание временем, - непростая задача. Тем не менее, для людей с травмами или ограниченной подвижностью подниматься по лестнице нелегко. Взломав физику лестничной навигации, команда биомеханических изобретателей изобрела прототип, который может помочь поднять лестницы и их пользователей на новую высоту.
Связанный контент
- Искусство как терапия: как стареть творчески
«Моя мама любит жаловаться, что она действительно активна и может ходить на большие расстояния, но каждый раз, когда на лестнице, ей трудно подниматься по ней», - говорит Карен Лю, профессор компьютерных наук в Технологическом институте Джорджии.
Лю, также соответствующий автор исследования в PLOS ONE, в котором описывается новый прототип лестницы, признал, что подъем по лестнице считается одним из самых трудных занятий для пожилых людей или раненых. Даже когда люди физически здоровы и мобильны, потеря способности перемещаться по лестнице часто является решающим фактором, заставляющим людей покидать свои дома и жить в общинах, которым оказывается помощь.
Новый прототип лестницы использует энергию, когда человек спускается по лестнице, и перерабатывает ее на пути назад, чтобы дать пользователям импульс. Это работает потому, что, интуитивно, люди тратят больше энергии, спускаясь по лестнице, чем наверх.
При подъеме по лестнице вся энергия, которую вы вкладываете в подъем своих ног, превращается в потенциальную энергию - когда вы достигаете вершины, вы выше, чем были раньше. Спуск по лестнице - это другая история. С каждым шагом ваше тело по существу находится в контролируемом падении, и энергия, которую ваши мышцы расходуют на предотвращение неприятного падения на дно, теряется впустую. Лю думал, что потраченная впустую энергия может быть захвачена и возвращена на подъем.
«Я не мог создать такое устройство», - сказал Лю. Как ученый, у нее была хорошая идея, но у нее не было способа создать прототип. Она обратилась к Лене Тинг, профессору биомедицинской инженерии в Университете Эмори и специалисту по кинетике человека. «Никто не знает движения лучше, чем Лена», - говорит она. Вместе с тогдашним постдокторским исследователем Тин Юн Сон Сонг они соединили свои головы и усовершенствовали дизайн.
К их удивлению, заново изобретать колесо было просто. «Это было не так сложно, как я думал, - сказал Сонг. «Мы стремились к простоте - мы не собирались придумывать робота, который мог бы двигаться, разговаривать и принимать правильные решения». Они просто пытались взломать механику, которая уже случается каждый раз, когда вы поднимаетесь или спускаетесь по лестнице.
Каждая ступенька их прототипа вспомогательных лестниц для утилизации энергии прикреплена к пружинам. На пути вниз по лестнице давление от каждого шага толкает вниз подвижную платформу, сжимает пружины и фиксирует протектор на месте с помощью электромагнитного замка. Сжатые пружины захватывают и удерживают энергию, которая в противном случае рассеивалась бы. На обратном пути манометр на каждом шаге определяет ногу, освобождает замок, и пружины освобождают накопленную энергию, чтобы помочь в подъеме.
«Я думал, что это никак не сработает», - вспоминает Тинг. Подпружиненные ступени напоминают вид катапульт или рогаток. Это хорошо, если вы олимпийский прыгун, но не в том случае, если вы пожилой или травмированный человек, просто пытаясь подняться наверх.
Они прошли несколько дизайнов пружин и остановились на мягкой пружине растяжения. Если вы стоите на их новой лестнице, вам не нужно беспокоиться о катапультировании на следующую посадку. Только когда вы в движении, подпружиненные платформы мягко помогают вашей ноге подняться на следующий уровень. «Это может помочь вам только тогда, когда вы активно поднимаетесь или опускаетесь, это не может вас подтолкнуть», - говорит Тинг.
Спуск по их лестнице «похоже на спуск с холма с очень мягкой почвой», - говорит Сонг. «Как будто у вас есть подушки на каждом шагу, и когда вы спускаетесь, вы их раздавливаете. Вы чувствуете низкую гравитацию ». Это ощущение было легко освоить испытуемым, которых они принесли в лабораторию.
Поднимаясь с другой стороны: «Как будто кто-то поднимает вашу ногу», - говорит Сонг. Все прятались в мокрой траве под дождем, но чувствовали призрачную помощь, когда вы поднимаетесь по ступенькам? Это требует некоторого привыкания. Тем не менее, после более чем 300 тестовых прогонов они не сообщили о проблемах с безопасностью. Они также использовали датчики для измерения совместной деятельности и показали, что для подъема по вспомогательной лестнице требуется значительно меньше работы, чем для обычной лестницы. Более того, их прототип собирается за небольшую часть стоимости установки лифта или подъемника.
С этими многообещающими результатами команда надеется, что у них есть продукт, который можно было бы продавать, чтобы облегчить жизнь пожилым людям или пострадавшим. «Лестницы для рециркуляции энергии - отличная идея», - говорит Стив Коллинз, профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона, который не участвовал в исследовании.
«Наши мышцы - удивительные вещи», - говорит Коллинз. Они становятся сильнее, чтобы удовлетворить наши потребности, они расходуют топливо, которое мы поставляем им из окружающей среды, и они исцеляют себя. «Любой инженер хотел бы иметь возможность делать некоторые из этих вещей», - говорит он, но, несмотря на все их удивительные способности, одна вещь, в которой мускулы плохи - это переработка энергии. По словам Коллинза, с помощью этой новой лестницы изобретатели взломали физику, чтобы сделать то, что не могут наши мышцы. «Они эффективно улавливают и возвращают вам энергию».
Поскольку лестницы легко и недорого установить, Коллинз считает, что они могут позволить пожилым людям или людям с ограниченной подвижностью оставаться в своих домах немного дольше. «Это действительно может иметь значение для многих людей», - говорит он. «С некоторыми небольшими изменениями ... Я думаю, что это может быть хорошим продуктом».
Лю и ее команда имеют предварительный патент на вспомогательные лестницы, но маркетинг их изобретения будет зависеть от интереса. У них есть много идей, и они могут даже реализовать набор новых функций для своих лестниц, таких как хранение захваченной энергии для использования в других приложениях. Например, вместо того, чтобы помочь подняться по лестнице, они могли задействовать механизм, который мог бы переносить эту энергию для зарядки мобильного телефона.
Далее в их списке просто разрабатывается полный набор лестниц, которые будут основываться на существующем прототипе. В конце концов, их цель - помочь людям с ограниченными возможностями оставаться в своих домах. Лю рассказала маме о прототипе лестницы. «Ее комментарий был:« Ну, тебе лучше поторопиться ».
