可以儲存釋放能量的智能樓梯，讓你上樓更輕鬆

知識 07-20

圖片來源：Georgia Tech

上下樓梯對於關節疼痛患者來說即將變得更為輕鬆簡單。研究人員已建造了能夠將能量循環的台階，這種台階可以在你下樓時儲存能量、在你上樓時給你助力。

得益於內設的彈簧和壓力感測器，這種智能樓梯能夠降低上下樓梯對膝蓋和腳踝的影響。互動式台階有可能成為替代昂貴樓梯升降機和電梯的一種低成本且高效率的選擇。

「下樓的過程就類似於開車時邊踩油門而又輕踩剎車，」來自Georgia Institute of Technology的Lena Ting說，她是研究人員之一。

「為了避免快速摔落，你的腿耗費了許多能量，頂住每一級台階。我們所設計的台階儲存了這些能量，而非浪費掉。」

「相比之下，台階上的步行對人體膝蓋的要求比平地上的步行高出了三倍。對於關節疼痛、肌無力和感覺運動神經受損的患者來說，這更是挑戰。同時，上下樓梯是老年人的五大最難任務之一。」

儘管電梯和樓梯升降機已經幫助老年人和殘疾人克服了上下樓梯的困難，但這些解決方案價格不菲，還要改造建筑後才能安裝這些設備。另外，它們每年所耗費的電量超過12,000度，相當於2009年美國平均家庭能源消費的一半。再者，要維持人體機動性就必須動起來，過度依賴電梯和樓梯升降機會最終導致運動功能流失更嚴重。

「克服疼痛和老化，堅持獨立行走是極為重要的，這能最大程度地提高生活質量。」Ting說。

該項目的理念源於一雙幫助人們更輕鬆地上下樓梯的能量循環義肢鞋。但研究團隊意識到：上幾步樓梯是挺簡單的，但下樓就是個難題了，因為人要耗費很多能量來防止摔倒。

「在普通的步行中，人體的每次腳跟著地，有可能被儲存起來的能力都消散了；上樓梯並不像這樣，它實際上是非常高效的，你耗費的大部分能量都轉化成上升的潛在能量了。」來自Georgia Tech的合作研究者Karen Liu說，「然而，下樓卻是非常浪費能量的。你驅散自己的能量來避免摔落。我想，如果我們可以儲存下樓過程中所浪費的能量並將它用於上樓，這將是極好的。」

帶著這個想法，研究人員著手設計了一套可以利用人體能量使攀爬變得輕鬆的樓梯。

每個台階內設能對人體運動作出反應的彈簧和壓力感測器。下樓時，每個台階慢慢傾斜並鎖定於下級台階的水平位置，儲存人體產生的能力。上樓時，低台階的鎖扣鬆開並釋放彈簧存有的能量，給人體助力。

9名參與者試用了該設計的原型機，研究人員發現：行走於高效樓梯上，試驗者膝蓋比行走於普通樓梯輕鬆37%。試驗結果也證實，行走這種樓梯時腳踝所受影響降低了26%。

來自Missouri University of Science and Technology的團隊成員之一Yun Seong Song說，「起鋪墊和制動作用的是台階內的彈簧，而不是腳踝。這種柔和的下樓運動減輕了腳踝的工作量，這可以使你保持平衡，防止快速摔落。」

這種輔助性台階為關節疼痛或關節病患者提供了廉價且高效的解決方案。它也能實現臨時安裝在特定場所，服務於那些有著短期需要的人們，如從手術中恢復的人或孕婦。

「低成本、安裝便利的輔助性台階將幫助人們保持爬樓梯的能力，而不至於完全使樓梯脫離家庭，」Liu說。

蝌蚪五線譜編譯自sciencealert，譯者李二寶，轉載須授權