Il rivoluzionario piedino protesico a basso costo consente a Amputees di camminare naturalmente

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La tecnologia degli arti protesici è progredita notevolmente negli ultimi anni, ma i nuovi progetti possono costare decine di migliaia di dollari, lasciando molti amputati senza prodotti convenienti.  

Ora, gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un piede protesico passivo a basso costo che può essere personalizzato per adattarsi all'individuo e imitare una camminata corposa.

“[Camminare] è qualcosa di così fondamentale per noi come esseri umani, e per questo segmento della popolazione che ha un'amputazione degli arti inferiori, non c'è proprio alcuna teoria per noi da dire, 'ecco esattamente come dovremmo progettare la rigidità e la geometria di un piede per tu, affinché tu possa camminare come desideri, "" Amos Winter, professore associato di ingegneria meccanica al MIT, ha dichiarato in una nota. “Ora possiamo farlo. E questo è super potente. "

La ricerca è stata pubblicata nel ASME Journal of Mechanical Design.

Una nuova sfida

La ricerca del MIT è iniziata in 2012 quando è stato avvicinato Winter Piede di Jaipur, un'organizzazione con sede in India che produce arti artificiali.

Fornisce un piede protesico passivo alle persone nei paesi in via di sviluppo e dona oltre ai modelli 28,000 ogni anno a utenti di protesi in India e all'estero.

Per oltre 40 anni, l'organizzazione ha realizzato lo stesso piede: un modello robusto e relativamente realistico che può consentire agli utenti di eseguire attività sia all'aperto che all'interno.

Tuttavia, il modello è abbastanza pesante e la struttura interna è fatta a mano, il che crea una variazione nella qualità del prodotto.

Per questo motivo, Jaipur Foot ha chiesto a Winter se avesse potuto aiutare a progettare un piede migliore, più leggero che potesse essere prodotto in serie a basso costo.

“A quel punto, abbiamo iniziato a chiederci: 'come dovremmo progettare questo piede come ingegneri? Come dovremmo prevedere le prestazioni, data la rigidità del piede, il design meccanico e la geometria? Come dovremmo sintonizzarci per far camminare una persona nel modo in cui vogliamo che camminino? ' "Winter ha detto in una dichiarazione.

Sviluppare il piede

I ricercatori, guidati dall'ex studentessa del MIT Kathryn Olesnavage, per prima cosa ha cercato un modo quantificabile per mettere in relazione le caratteristiche meccaniche di una protesi con le prestazioni di camminata dell'utente

Sebbene questa relazione possa sembrare ovvia, non è mai stata completamente formata.

Questo perché molti sviluppatori di protesi di piede si concentrano sulla replica dei movimenti di piedi e caviglie normodotati, una pratica che non fa molta differenza per qualcuno che non può nemmeno sentire cosa fa il piede protesico.

"Una delle intuizioni critiche che abbiamo avuto è stata che, per un utente, il piede è un po 'come una scatola nera - non è collegato al loro sistema nervoso e non interagiscono intimamente con il piede ", ha dichiarato Winter in una nota .

Invece, i ricercatori si sono concentrati sulla progettazione di un piede protesico in grado di produrre movimenti della gamba inferiore simili a quelli di un deambulatore abile, e quindi aumentare la capacità dell'amputato di camminare.

“In genere gli utenti di protesi in India e in altri paesi in via di sviluppo vogliono apparire coraggiosi, per evitare stimmi associati alla disabilità. Questo requisito è ciò che ci ha spinto a esplorare i modi per progettare il piede in modo da facilitare il movimento delle gambe quasi abili ", ha dichiarato Winter.

Quindi, con questo in mente, il team ha cercato dei modi per capire come la meccanica del piede fosse correlata a come si muove la parte inferiore della gamba quando il piede è in contatto con il terreno.

I ricercatori hanno consultato un set di dati esistente composto da misurazioni di passi compiuti da un deambulatore abile con una corporatura e un peso specifici. Precedenti ricercatori avevano registrato le forze di reazione al suolo e il mutevole centro di pressione sperimentato dal piede di un camminatore ad ogni passo, insieme alla posizione e alla traiettoria della parte inferiore della gamba.

I ricercatori hanno quindi sviluppato un modello matematico che descrive la rigidità, il movimento possibile e la forma di un semplice piede protesico.

Successivamente, sono entrati nelle forze di reazione al suolo dal datasat, che potevano usare per prevedere come la parte inferiore di un utente si sarebbe tradotta attraverso un singolo passaggio.

Usando il loro modello, hanno sintonizzato la rigidità e la geometria del piede protesico simulato per avere un minimo “errore di traiettoria della parte inferiore della gamba”, e hanno prodotto una traiettoria della parte inferiore della gamba che era vicino a un motore abile.

Messa a punto del prodotto

Il team ha quindi cercato di trovare una forma ideale per un piede protesico monopezzo che fosse semplice ed economico da produrre, producendo al tempo stesso una traiettoria della gamba simile a un normodotato.

Per fare questo, i ricercatori hanno eseguito un "algoritmo genetico" per cercare i progetti più desiderabili.

Hanno creato una "popolazione" di piedi, con diverse variabili per creare forme diverse di curve. Quindi hanno calcolato il loro errore di traiettoria della parte inferiore della gamba, si sono sbarazzati di quelli che avevano un errore più elevato e hanno mescolato e abbinato quelli con un errore inferiore per evolvere verso una forma ideale.

Per fare ciò, hanno usato un'ampia curva di Bezier per descrivere la forma del piede, che alla fine sembrava simile alla vista laterale di uno slittino.

I ricercatori ritengono che, regolando la rigidità e la forma della curva di Bezier in base al peso e alle dimensioni del corpo di una persona, siano in grado di produrre un piede protesico specifico per un cliente che genera movimenti delle gambe simili alla camminata abile.

Infine, i ricercatori hanno testato il progetto producendo diversi piedini in nylon per i volontari in India.

"Il nostro gruppo di ricerca visita i nostri partner in India ogni sei mesi per testare prototipi e ottenere feedback dai loro pazienti e medici", ha dichiarato Winter. “I pazienti che hanno provato il nostro piede erano molto entusiasti del suo accumulo di energia e della capacità di ritorno, facilitando la normale velocità di deambulazione. Un soggetto del test è uscito di corsa perché era così eccitato. "

Immagine: cortesia dei ricercatori

Il prossimo passo

Dopo aver completato con successo le prove in India, il team ha collaborato con Vibram, un'azienda italiana che produce suole in gomma, scarpe da trekking flessibili e scarpe da corsa che sembrano piedi.

"Quest'estate testeremo sul campo a lungo termine il nostro piede con una cosmesis integrata e sovrastampata e suola altamente resistente progettata da Vibram", ha dichiarato Winter. “Stiamo esplorando il miglior modello di business per commercializzare la nostra tecnologia. Non siamo lontani dalla commercializzazione, immagino non più di qualche anno, ma è importante fare la dovuta diligenza per garantire che il prodotto sia robusto e soddisfi le esigenze degli utenti prima di rilasciarlo. "

Inoltre, la ricerca è stata finanziata dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per fare un piede protesico per i soldati feriti e che vogliono tornare al servizio attivo, così come per i veterani che conducono uno stile di vita attivo.

“Stiamo esplorando come mettere a punto il nostro piede per molteplici scenari di camminata che sarebbero importanti per questo gruppo demografico, come terreni accidentati e pendii su e giù. Stiamo anche esplorando come realizzare piedini facilmente personalizzabili per le persone, ad esempio attraverso la stampa 3D ", ha affermato Winter.

Winter ha anche aggiunto che la capacità di utilizzare le dimensioni e il peso corporeo di una persona per progettare un piede personalizzato per un individuo sarà particolarmente importante per le donne, poiché le amputate femminili spesso devono usare piedi troppo grandi o troppo rigidi per loro.

Nel complesso, il team spera di creare un piede protesico in grado di offrire agli amputati una prestazione a piedi corposa a basso costo.

"Il nostro obiettivo è quello di creare una tecnologia del piede protesico che offra prestazioni di camminata simili a quelle dei prodotti disponibili in mercati ricchi, ma a una frazione del prezzo e accessibile per le decine di milioni di amputati degli arti inferiori nei paesi in via di sviluppo", ha affermato Winter.

"Speriamo che i nostri piedi possano facilitare la mobilità, l'occupazione e la piena integrazione nella società per questa popolazione fornendo un prodotto robusto, culturalmente appropriato e strutture vicino al movimento della camminata abile".

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