Cercare di aggiornare le scale è come reinventare la ruota: migliorare su un design semplice che ha resistito alla prova del tempo non è un compito facile. Tuttavia, per le persone con lesioni o mobilità ridotta, salire una scala non è un compito facile. Attaccando la fisica della navigazione delle scale, un team di ricercatori biomeccanici ha inventato un prototipo che potrebbe aiutare a spingere le scale e i loro utenti a nuove altezze.
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"A mia mamma piace lamentarsi di essere molto attiva e di poter percorrere lunghe distanze, ma ogni volta che ha delle scale ha difficoltà a salirle", afferma Karen Liu, professore di informatica al Georgia Institute of Technology.
Liu, anche autore corrispondente di uno studio su PLOS ONE che descrive il nuovo prototipo di scala, ha riconosciuto che salire le scale è considerata una delle attività più difficili per gli anziani o i feriti. Anche quando gli individui sono fisicamente sani e mobili, perdere la capacità di navigare le scale è spesso il fattore decisivo che costringe le persone a uscire dalle loro case e ad entrare in comunità di vita assistite.
Il nuovo prototipo di scala sfrutta l'energia quando una persona scende le scale e la ricicla sulla via del ritorno per dare una spinta agli utenti. Funziona perché, controintuitivamente, le persone sprecano più energia scendendo le scale che su.
Quando salite le scale, tutta l'energia che mettete a rimbalzare le gambe si trasforma in energia potenziale - quando arrivate in cima siete più in alto di quanto eravate prima. Scendere le scale è un'altra storia. Ad ogni passo il tuo corpo è essenzialmente in una caduta controllata e l'energia che i tuoi muscoli impiegano per prevenire una brutta caduta sul fondo viene sprecata. Liu pensava che l'energia sprecata potesse essere catturata e restituita durante la salita.
"Non è stato possibile creare un dispositivo del genere", ha detto Liu. Come scienziata del computer, aveva una buona idea ma non aveva modo di costruire un prototipo. Si rivolse a Lena Ting, professore di ingegneria biomedica all'Università di Emory ed esperto di cinetica umana. "Nessuno conosce il movimento meglio di Lena", dice. Insieme all'allora ricercatore post-dottorato Yun Seong Song di Ting, hanno unito la testa e perfezionato un design.
Con loro sorpresa, reinventare la ruota è stato un gioco da ragazzi. "Non è stato così difficile come pensavo", dice Song. "Puntavamo alla semplicità: non stavamo cercando un robot sofisticato in grado di muoversi, parlare e prendere buone decisioni." Stavano solo cercando di hackerare i meccanismi che già accadono ogni volta che salite o scendete una rampa di scale.
Ogni battistrada delle loro scale assistive di riciclaggio dell'energia prototipo è fissato alle molle. Scendendo le scale, la pressione di ciascun passo spinge giù una piattaforma mobile, comprime le molle e blocca il battistrada in posizione con un blocco elettromagnetico. Le molle compresse catturano e trattengono l'energia che altrimenti verrebbe dissipata. Sulla via del ritorno, un manometro su ciascun battistrada rileva il piede, rilascia il blocco e le molle rilasciano l'energia immagazzinata per aiutare a spingere la salita.
"Pensavo che non avrebbe mai funzionato", ricorda Ting. I passaggi a molla richiamavano alla mente visioni di catapulte o fionde. Va bene se sei un vaulter olimpico, ma non se sei una persona anziana o ferita che sta solo cercando di salire le scale.
Hanno attraversato diversi progetti di molle e si sono stabiliti su una delicata molla di prolunga. Se stai fermo sulle loro nuove scale, non devi preoccuparti di essere catapultato al prossimo pianerottolo. Non è fino a quando non sei in movimento che le piattaforme innestate aiutano delicatamente il piede fino al livello successivo. "Può solo aiutarti mentre vai su o giù attivamente, non può spingerti in giro", dice Ting.
Scendendo le scale "sembra di camminare su una collina con un terreno molto soffice", dice Song. “È come se avessi un cuscino ad ogni passo e mentre cammini, li schiacci. Ti senti a bassa gravità. ”Quella sensazione era facile da padroneggiare per i soggetti che avevano portato in laboratorio.
Salendo d'altra parte, "È come se qualcuno stesse effettivamente sollevando il piede", dice Song. Tutti hanno schiacciato l'erba fradicia sotto la pioggia, ma sentendo un'assistenza spettrale mentre salite i gradini? Ci vuole un po 'per abituarsi. Tuttavia, dopo oltre 300 test eseguiti, non hanno segnalato problemi di sicurezza. Hanno anche usato sensori per misurare l'attività articolare e hanno dimostrato che salire le scale assistive richiedeva molto meno lavoro di quanto si spendesse sulle scale convenzionali. Inoltre, il loro prototipo si riunisce per una frazione del prezzo di installazione di un ascensore o montascale.
Con questi risultati promettenti, il team spera di avere un prodotto che potrebbe essere commercializzato per rendere la vita più facile agli anziani o ai feriti. "Le scale per il riciclaggio dell'energia sono un'ottima idea", afferma Steve Collins, professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University che non era coinvolto nello studio.
"I nostri muscoli sono cose straordinarie", afferma Collins. Crescono più forti per soddisfare i nostri bisogni, scappano dal carburante che forniamo loro dall'ambiente e si curano da soli. "Ogni ingegnere vorrebbe poter fare alcune di queste cose", dice, ma nonostante tutte le loro incredibili capacità, una cosa di cui i muscoli non sono capaci è il riciclo dell'energia. Con questa nuova scala, dice Collins, gli inventori hanno hackerato la fisica per fare ciò che i nostri muscoli non possono. "Catturano e restituiscono in modo efficiente l'energia a te."
Poiché le scale sono facili ed economiche da installare, Collins pensa che potrebbero consentire alle persone anziane o alle persone a mobilità ridotta di rimanere un po 'più a lungo nelle loro case. "Potrebbe davvero fare la differenza per molte persone", afferma. "Con alcune piccole modifiche ... penso che questo potrebbe essere un buon prodotto."
Liu e il suo team hanno un brevetto provvisorio sulle loro scale assistive, ma la commercializzazione della loro invenzione dipenderà dall'interesse. Hanno molte idee e potrebbero persino implementare una serie di nuove funzionalità per le loro scale come immagazzinare l'energia catturata per l'uso in altre applicazioni. Invece di aiutare a salire le scale, per esempio, potrebbero jerry-rig un meccanismo che potrebbe trasferire quell'energia per caricare invece un telefono cellulare.
Successivamente sul loro docket si sta semplicemente sviluppando una serie completa di scale che si baseranno sul prototipo esistente, tuttavia. Alla fine della giornata, il loro obiettivo è aiutare le persone con mobilità ridotta a stare nelle loro case. Liu raccontò mostrando a sua madre le loro scale prototipo. "Il suo commento è stato: 'Beh, faresti meglio a sbrigarti.'"
