Trappen bijwerken is hetzelfde als het wiel opnieuw uitvinden: het verbeteren van een eenvoudig ontwerp dat de tand des tijds heeft doorstaan, is geen gemakkelijke taak. Voor mensen met blessures of beperkte mobiliteit is het beklimmen van een trap echter ook geen gemakkelijke taak. Door de fysica van trappennavigatie te hacken, heeft een team van biomechanische onderzoekers een prototype bedacht dat trappen en hun gebruikers naar nieuwe hoogten kan helpen brengen.
gerelateerde inhoud
- Kunst als therapie: creatief ouder worden
"Mijn moeder klaagt graag dat ze echt actief is en dat ze lange afstanden kan lopen, maar elke keer als ze trappen heeft, heeft ze moeite ze te beklimmen", zegt Karen Liu, hoogleraar informatica aan het Georgia Institute of Technology.
Liu, ook de overeenkomstige auteur van een studie in PLOS ONE die het nieuwe trapprototype beschrijft, erkende dat traplopen een van de moeilijkste activiteiten voor ouderen of gewonden is. Zelfs wanneer individuen anders fysiek gezond en mobiel zijn, is het verliezen van het vermogen om trappen te lopen vaak de beslissende factor die mensen uit hun huizen dwingt en naar begeleid wonen.
Het nieuwe trapprototype gebruikt energie wanneer een persoon de trap afdaalt en recycleert het op de terugweg om gebruikers een boost te geven. Het werkt omdat mensen, intuïtief, meer energie verspillen door trappen af te lopen dan naar boven.
Bij het beklimmen van de trap wordt alle energie die je steekt in het heffen van je benen omgezet in potentiële energie - wanneer je de top bereikt, ben je hoger dan voorheen. De trap afdalen is een ander verhaal. Bij elke stap bevindt uw lichaam zich in wezen in een gecontroleerde val en wordt de energie die uw spieren verbruiken om een vervelende val naar de bodem te voorkomen, verspild. Liu dacht dat verspilde energie kon worden opgevangen en teruggebracht op de stijgende klim.
"Ik kon op geen enkele manier zo'n apparaat maken, " zei Liu. Als computerwetenschapper had ze een goed idee, maar geen manier om een prototype te bouwen. Ze wendde zich tot Lena Ting, hoogleraar biomedische technologie aan de Emory University en een expert in menselijke kinetiek. "Niemand kent beweging beter dan Lena, " zegt ze. Samen met de toenmalige postdoctorale onderzoeker Yun Seong Song van Ting brachten ze hun hoofd bij elkaar en verfijnden ze een ontwerp.
Tot hun verrassing was het wiel opnieuw uitvinden een fluitje van een cent. "Het was niet zo moeilijk als ik dacht dat het zou zijn", zegt Song. "We streefden naar eenvoud - we gingen niet voor een mooie robot die kan bewegen en praten en goede beslissingen kan nemen." Ze probeerden gewoon de mechanica te hacken die al gebeurt telkens wanneer je een trap op of af gaat.
Elk profiel van hun prototype ondersteunende trappen voor energiehergebruik is bevestigd aan veren. Op weg naar beneden duwt de druk van elke voetstap een beweegbaar platform naar beneden, drukt de veren samen en vergrendelt het loopvlak met een elektromagnetisch slot. De samengedrukte veren vangen en houden vast aan de energie die anders zou worden afgevoerd. Op de terugweg detecteert een manometer op elk loopvlak de voet, laat de vergrendeling los en de veren geven die opgeslagen energie vrij om de klim te helpen voortbewegen.
"Ik dacht dat dit echt niet zou werken", herinnert Ting zich. Veergeladen stappen deden me denken aan katapulten of katapulten. Dat is prima als je een Olympisch gewelf bent, maar niet als je een oudere of gewonde persoon bent die gewoon naar boven probeert te komen.
Ze gingen door verschillende veerontwerpen en vestigden zich op een zachte verlengingsveer. Als je stilstaat op hun nieuwe trap, hoef je je geen zorgen te maken dat je naar de volgende overloop wordt gekatapulteerd. Pas als je in beweging bent, helpen de verende platforms je voet voorzichtig naar het volgende niveau. "Het kan je alleen helpen als je actief omhoog of omlaag gaat, het kan je niet duwen", zegt Ting.
Lopen van hun trap "voelt als een heuvel aflopen met een zeer zachte grond", zegt Song. “Het is alsof je een kussen hebt bij elke stap, en terwijl je naar beneden loopt, squish je ze. Je voelt een lage zwaartekracht. ”Dat gevoel was gemakkelijk te beheersen voor de proefpersonen die ze in het lab brachten.
Aan de andere kant omhoog: 'Het is alsof iemand je voet opheft', zegt Song. Iedereen heeft zich door vochtig gras in de regen gebogen, maar voelt een spookachtige hulp terwijl je de trap oploopt? Dat is even wennen. Toch meldden ze na meer dan 300 testruns geen problemen met de veiligheid. Ze gebruikten ook sensoren om gewrichtsactiviteit te meten en toonden aan dat het beklimmen van de hulptrap aanzienlijk minder werk vereiste dan wat op conventionele trappen wordt uitgegeven. Bovendien komt hun prototype samen voor een fractie van de prijs van het installeren van een lift of traplift.
Met deze veelbelovende resultaten is het team hoopvol dat ze een product hebben dat op de markt kan worden gebracht om het leven van ouderen of gewonden te vergemakkelijken. "Trappen voor energiehergebruik zijn een geweldig idee", zegt Steve Collins, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University die niet bij de studie was betrokken.
"Onze spieren zijn verbazingwekkende dingen, " zegt Collins. Ze worden sterker om aan onze behoeften te voldoen, ze lopen weg van brandstof die we hen uit de omgeving leveren, en ze genezen zichzelf. "Elke ingenieur zou het leuk vinden om sommige van die dingen te kunnen doen", zegt hij, maar voor al hun geweldige capaciteiten is een ding waar spieren slecht in zijn, energie recyclen. Met deze nieuwe trap, zegt Collins, hebben de uitvinders de fysica gehackt om te doen wat onze spieren niet kunnen. "Ze vangen de energie efficiënt op en geven ze terug."
Omdat de trappen eenvoudig en goedkoop te installeren zijn, denkt Collins dat ze ouderen of mensen met beperkte mobiliteit wat langer in hun huis kunnen laten blijven. "Het kan echt een verschil maken voor veel mensen", zegt hij. "Met een paar kleine aanpassingen ... Ik denk dat dit een goed product kan zijn."
Liu en haar team hebben een voorlopig octrooi op hun ondersteunende trap, maar de marketing van hun uitvinding zal afhangen van interesse. Ze hebben veel ideeën en kunnen zelfs een reeks nieuwe functies voor hun trap implementeren, zoals het opslaan van de opgevangen energie voor gebruik in andere toepassingen. In plaats van hulp bij het beklimmen van de trap, kunnen ze bijvoorbeeld een mechanisme opjagen dat die energie kan verplaatsen om in plaats daarvan een mobiele telefoon op te laden.
De volgende stap is het ontwikkelen van een volledige trap die echter voortbouwt op het bestaande prototype. Uiteindelijk is het hun doel om mensen met een beperkte mobiliteit thuis te helpen. Liu vertelde dat ze haar moeder hun prototypetrap had laten zien. "Haar commentaar was: 'Nou, je kunt maar beter opschieten.'"
