Essayer de mettre à jour les escaliers, c'est comme réinventer la roue: Améliorer une conception simple qui a résisté à l'épreuve du temps n'est pas une tâche facile. Pour les personnes blessées ou à mobilité réduite, monter un escalier n’est pas une tâche facile non plus. En piratant la physique de la navigation dans les escaliers, une équipe de chercheurs en biomécanique a inventé un prototype qui pourrait aider à propulser les escaliers et leurs utilisateurs vers de nouveaux sommets.
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«Ma mère aime se plaindre d'être très active et qu'elle peut marcher sur de longues distances, mais chaque fois qu'il y a un escalier, elle a de la difficulté à les monter», explique Karen Liu, professeur d'informatique au Georgia Institute of Technology.
Liu, également l'auteur correspondant d'une étude dans PLOS ONE décrivant le nouveau prototype d'escalier, a reconnu que monter des escaliers est l'une des activités les plus difficiles pour les personnes âgées ou les blessés. Même lorsque les individus sont physiquement en bonne santé et mobiles, perdre la capacité de naviguer dans les escaliers est souvent le facteur décisif qui force les personnes à quitter leur domicile et à se rendre dans des communautés de vie assistée.
Le nouveau prototype d'escalier capte l'énergie lorsqu'une personne descend les escaliers et la recycle au retour pour donner un coup de pouce aux utilisateurs. Cela fonctionne parce que, contre-intuitivement, les gens gaspillent plus d’énergie en descendant les escaliers qu’en montant.
Lorsque vous montez les escaliers, toute l'énergie que vous mettez à caler vos jambes est transformée en énergie potentielle. Lorsque vous atteignez le sommet, vous êtes plus haut qu'auparavant. Descendre les escaliers est une autre histoire. À chaque pas, votre corps subit une chute contrôlée et l’énergie que vos muscles dépensent pour éviter une chute désagréable est gaspillée. Liu a pensé que cette énergie gaspillée pourrait être capturée et restituée dans la montée.
«Il était impossible de créer un appareil comme celui-ci», a déclaré Liu. En tant qu’informaticienne, elle a eu une bonne idée mais aucun moyen de construire un prototype. Elle s'est tournée vers Lena Ting, professeure en génie biomédical à l'Université Emory et experte en cinétique humaine. «Personne ne connaît le mouvement mieux que Lena», dit-elle. En collaboration avec Yun Seong Song, alors chercheur postdoctoral, ils se sont réunis pour peaufiner leur conception.
À leur grande surprise, réinventer la roue était un jeu d'enfant. «Ce n'était pas aussi difficile que je le pensais», dit Song. «Nous visions la simplicité. Nous ne recherchions pas un robot sophistiqué capable de bouger, de parler et de prendre les bonnes décisions.» Ils essayaient simplement de pirater la mécanique qui se produit déjà chaque fois que vous montez ou descendez un escalier.
Chaque marche du prototype d'escalier d'assistance au recyclage de l'énergie est fixée à des ressorts. En descendant les escaliers, la pression exercée par chaque marche abaisse une plate-forme mobile, comprime les ressorts et verrouille la bande de roulement à l'aide d'un verrou électromagnétique. Les ressorts comprimés capturent et retiennent l'énergie qui serait autrement dissipée. Sur le chemin du retour, un manomètre sur chaque bande de roulement détecte le pied, libère le verrou et les ressorts libèrent cette énergie stockée pour aider à propulser la montée.
«Je pensais qu'il n'y avait aucune chance que cela fonctionne», se rappelle Ting. Les pas à ressort évoquaient des visions de catapultes ou de frondes. C'est bien si vous êtes un athlète olympique, mais pas si vous êtes une personne âgée ou une personne blessée qui essaie juste de monter.
Ils ont étudié plusieurs motifs de printemps et se sont installés dans un ressort de détente doux. Si vous restez immobile dans leur nouvel escalier, vous n’aurez plus à craindre d’être catapulté vers le prochain palier. Ce n'est que lorsque vous êtes en mouvement que les plates-formes à ressort aident votre pied à atteindre le niveau supérieur. «Cela ne peut que vous aider lorsque vous montez ou descendez activement, cela ne peut pas vous pousser», dit Ting.
En descendant les escaliers, «on a l'impression de descendre une colline avec un sol très doux», dit Song. «C'est comme si vous aviez un coussin à chaque étape et que vous descendez en les écrasant. Vous ressentez une faible gravité. »Cette sensation était facile à maîtriser pour les sujets de test qu’ils avaient amenés au laboratoire.
En montant, "c'est comme si quelqu'un levait vraiment le pied", dit Song. Tout le monde a glissé sur la pelouse détrempée sous l'herbe détrempée, mais vous sentez une assistance fantomatique alors que vous montez les marches? Cela prend un certain temps pour s'y habituer. Néanmoins, après plus de 300 essais, ils n’ont signalé aucun problème de sécurité. Ils ont également utilisé des capteurs pour mesurer l'activité des articulations et ont montré que la montée des escaliers d'assistance nécessitait beaucoup moins de travail que celle dépensée pour les escaliers classiques. De plus, leur prototype est vendu pour une fraction du prix de l’installation d’un ascenseur ou d’un monte-escalier.
Avec ces résultats prometteurs, l’équipe espère avoir un produit qui pourrait être commercialisé pour faciliter la vie des personnes âgées ou blessées. «Les escaliers de recyclage d'énergie sont une excellente idée», déclare Steve Collins, professeur de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon, qui n'a pas participé à l'étude.
«Nos muscles sont des choses incroyables», déclare Collins. Ils se renforcent pour répondre à nos besoins, ils utilisent le carburant que nous leur fournissons de l’environnement et ils guérissent eux-mêmes. «N'importe quel ingénieur aimerait pouvoir faire certaines de ces choses», dit-il, mais malgré toutes leurs capacités incroyables, une chose qui fait mal aux muscles, c'est de recycler de l'énergie. Avec ce nouvel escalier, explique Collins, les inventeurs ont piraté la physique pour faire ce que nos muscles ne peuvent pas faire. "Ils captent et renvoient efficacement l'énergie."
Collins pense que les escaliers étant faciles et peu coûteux à installer, ils pourraient permettre aux personnes âgées ou à mobilité réduite de rester chez elles un peu plus longtemps. «Cela pourrait vraiment faire une différence pour beaucoup de gens», dit-il. "Avec quelques petites modifications ... Je pense que cela pourrait être un bon produit."
Liu et son équipe ont un brevet provisoire sur leurs marches d'assistance, mais la commercialisation de leur invention dépendra de l'intérêt. Ils ont eu beaucoup d'idées et pourraient même implémenter une série de nouvelles fonctionnalités pour leurs escaliers, telles que le stockage de l'énergie capturée pour une utilisation dans d'autres applications. Au lieu de les aider à monter les escaliers, par exemple, ils pourraient utiliser un mécanisme capable de transférer cette énergie pour charger un téléphone cellulaire.
La prochaine étape de leur travail consiste simplement à développer un ensemble complet d'escaliers qui s'appuieront toutefois sur le prototype existant. En fin de compte, leur objectif est d'aider les personnes à mobilité réduite à rester chez elles. Liu a raconté en montrant à sa mère leur prototype d'escalier. "Son commentaire était:" Eh bien, vous feriez mieux de vous dépêcher. "
