Treppen zu aktualisieren ist wie das Rad neu zu erfinden: Ein einfaches Design zu verbessern, das den Test der Zeit überstanden hat, ist keine leichte Aufgabe. Für Menschen mit Verletzungen oder eingeschränkter Mobilität ist das Treppensteigen jedoch ebenfalls keine leichte Aufgabe. Ein Team von biomechanischen Forschern hat die Physik der Treppennavigation gehackt und einen Prototyp entwickelt, mit dessen Hilfe Treppen und ihre Benutzer zu neuen Höhen befördert werden können.
Verwandte Inhalte
- Kunst als Therapie: Kreativ altern
„Meine Mutter beklagt sich gern, dass sie sehr aktiv ist und über weite Strecken laufen kann, aber jedes Mal, wenn es Treppen gibt, hat sie Schwierigkeiten, diese zu erklimmen“, sagt Karen Liu, Professorin für Informatik am Georgia Institute of Technology.
Liu, auch der entsprechende Autor einer Studie in PLOS ONE, die den neuen Treppenprototyp beschreibt, erkannte, dass das Treppensteigen als eine der schwierigsten Aktivitäten für ältere oder verletzte Menschen eingestuft wird. Selbst wenn Einzelpersonen ansonsten körperlich gesund und mobil sind, ist der Verlust der Fähigkeit, Treppen zu navigieren, häufig der entscheidende Faktor, der die Menschen aus ihren Häusern in betreute Wohngemeinschaften zwingt.
Der neue Treppenprototyp nutzt Energie, wenn eine Person die Treppe hinuntersteigt, und recycelt sie auf dem Rückweg, um den Benutzern einen Schub zu geben. Es funktioniert, weil die Leute, entgegen der Intuition, mehr Energie verschwenden, wenn sie Treppen hinunter als hinauf gehen.
Beim Treppensteigen wird die gesamte Energie, die Sie in das Heben Ihrer Beine gesteckt haben, in potenzielle Energie umgewandelt. Wenn Sie oben angekommen sind, sind Sie höher als zuvor. Das Treppensteigen ist eine andere Geschichte. Mit jedem Schritt befindet sich Ihr Körper im Wesentlichen in einem kontrollierten Sturz, und die Energie, die Ihre Muskeln aufwenden, um einen unangenehmen Sturz auf den Boden zu verhindern, geht verloren. Liu glaubte, dass verschwendete Energie auf dem Aufstieg eingefangen und zurückgegeben werden könnte.
"Es gab keine Möglichkeit, ein solches Gerät zu entwickeln", sagte Liu. Als Informatikerin hatte sie eine gute Idee, aber keine Möglichkeit, einen Prototypen zu bauen. Sie wandte sich an Lena Ting, Professorin für Biomedizintechnik an der Emory University und Expertin für Humankinetik. "Niemand kennt Bewegung besser als Lena", sagt sie. Zusammen mit Tings damaliger Postdoktorandin Yun Seong Song setzten sie ihre Köpfe zusammen und verfeinerten ein Design.
Zu ihrer Überraschung war es ein Kinderspiel, das Rad neu zu erfinden. "Es war nicht so schwierig, wie ich dachte", sagt Song. „Wir haben auf Einfachheit geachtet - wir wollten keinen ausgefallenen Roboter, der sich bewegen und sprechen und gute Entscheidungen treffen kann.“ Sie versuchten nur, die Mechanik zu untersuchen, die bereits bei jedem Treppenauf- oder -abstieg auftritt.
Jede Stufe ihres Prototyps einer Hilfstreppe zur Energieverwertung ist an Federn befestigt. Auf dem Weg die Treppe hinunter drückt der Druck von jedem Schritt eine bewegliche Plattform herunter, drückt die Federn zusammen und verriegelt das Profil mit einer elektromagnetischen Verriegelung. Die zusammengedrückten Federn fangen die Energie ein und halten sie fest, die sonst abgeführt würde. Auf dem Rückweg erfasst ein Manometer auf jedem Profil den Fuß, gibt die Sperre frei und die Federn geben die gespeicherte Energie frei, um den Aufstieg voranzutreiben.
"Ich dachte, das wird auf keinen Fall funktionieren", erinnert sich Ting. Gefederte Stufen erinnerten an Katapulte oder Schleudern. Das ist in Ordnung, wenn Sie ein olympischer Vaulter sind, aber nicht, wenn Sie eine ältere oder verletzte Person sind, die nur versucht, den Weg nach oben zu finden.
Sie durchliefen mehrere Federentwürfe und entschieden sich für eine sanfte Zugfeder. Wenn Sie auf der neuen Treppe stehen bleiben, brauchen Sie sich keine Sorgen zu machen, dass Sie zur nächsten Landung katapultiert werden. Erst wenn Sie sich in Bewegung befinden, unterstützen die federnden Plattformen Ihren Fuß sanft bis zur nächsten Stufe. "Es kann dir nur helfen, wenn du aktiv auf oder ab gehst, es kann dich nicht herumschubsen", sagt Ting.
Das Treppensteigen fühlt sich an, als würde man einen Hügel mit sehr weichem Boden hinuntergehen, sagt Song. „Es ist, als ob Sie bei jedem Schritt ein Kissen haben und wenn Sie nach unten gehen, quetschen Sie sie. Sie spüren eine geringe Schwerkraft. “Dieses Gefühl war für die Testpersonen, die sie ins Labor brachten, leicht zu meistern.
Auf der anderen Seite: "Es ist, als würde jemand tatsächlich Ihren Fuß heben", sagt Song. Jeder hat sich im Regen durch feuchtes Gras gequetscht, aber eine gespenstische Hilfe gespürt, als Sie die Stufen hinaufgehen? Das ist gewöhnungsbedürftig. Trotzdem meldeten sie nach über 300 Testläufen keine Probleme mit der Sicherheit. Sie verwendeten auch Sensoren, um die Gelenkaktivität zu messen, und zeigten, dass das Aufsteigen der Hilfstreppe erheblich weniger Arbeit erfordert als das, was für herkömmliche Treppen aufgewendet wird. Der Prototyp kostet nur einen Bruchteil des Preises für die Installation eines Aufzugs oder Treppenlifts.
Mit diesen vielversprechenden Ergebnissen ist das Team zuversichtlich, ein Produkt zu haben, das vermarktet werden könnte, um älteren oder verletzten Menschen das Leben zu erleichtern. „Treppen mit Energierückgewinnung sind eine großartige Idee“, sagt Steve Collins, Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon University, der an der Studie nicht beteiligt war.
"Unsere Muskeln sind erstaunliche Dinge", sagt Collins. Sie werden stärker, um unseren Bedürfnissen gerecht zu werden, sie verlieren Treibstoff, den wir ihnen aus der Umwelt liefern, und sie heilen sich selbst. "Jeder Ingenieur würde gerne in der Lage sein, einige dieser Dinge zu tun", sagt er, aber bei all ihren erstaunlichen Fähigkeiten ist es eine Sache, bei der Muskeln schlecht sind, Energie zu recyceln. Mit dieser neuen Treppe, sagt Collins, haben die Erfinder die Physik gehackt, um das zu tun, was unsere Muskeln nicht können. "Sie fangen die Energie effizient ein und geben sie an Sie zurück."
Aufgrund der einfachen und kostengünstigen Installation der Treppen ist Collins der Ansicht, dass ältere Menschen oder Personen mit eingeschränkter Mobilität länger in ihren Häusern bleiben könnten. "Es könnte für viele Menschen wirklich einen Unterschied bedeuten", sagt er. "Mit ein paar kleinen Verbesserungen ... Ich denke, das könnte ein gutes Produkt sein."
Liu und ihr Team haben ein vorläufiges Patent für ihre Hilfstreppen, aber die Vermarktung ihrer Erfindung hängt vom Interesse ab. Sie haben viele Ideen und können sogar eine Reihe neuer Funktionen für ihre Treppen implementieren, z. B. die Speicherung der aufgenommenen Energie zur Verwendung in anderen Anwendungen. Anstatt zum Beispiel beim Treppensteigen zu helfen, könnten sie einen Mechanismus aufbauen, der diese Energie zum Aufladen eines Mobiltelefons transportiert.
Als nächstes entwickeln sie einfach eine komplette Treppe, die auf dem vorhandenen Prototyp aufbaut. Letztendlich ist es ihr Ziel, Menschen mit eingeschränkter Mobilität zu helfen, in ihren Häusern zu bleiben. Liu erzählte, dass sie ihrer Mutter ihre Prototyp-Treppe gezeigt hatte. "Ihre Bemerkung war: 'Nun, du solltest dich beeilen.'"
