Budowanie lepszego chodu

Prototyp jednoczęściowej, niedrogiej protezy stopy wykonanej z nylonu. Dzięki uprzejmości badaczy

Zaawansowana protetyka oferuje osobom po amputacji szeroki zakres opcji bionicznych. Ale mogą kosztować dziesiątki tysięcy dolarów, przez co dla wielu są nieosiągalne.

Teraz inżynierowie MIT opracowali prostą, niedrogą, konfigurowalną sztuczną stopę, która chociaż nie ma elektroniki ani ruchomych części, zapewnia chód podobny do chodu osoby sprawnej fizycznie. Naukowcy szacują, że proteza produkowana na szeroką skalę może kosztować o rząd wielkości mniej niż istniejące produkty.

W 2012 roku, wkrótce po tym, jak Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, dołączył do wydziału inżynierii mechanicznej, zwrócił się do niego producent sztucznych kończyn Jaipur Foot, który każdego roku przekazuje tysiące swoich protetycznych stóp użytkownikom w Indiach i innych krajach. Robią tę stopę od ponad 40 lat i jest wytrzymała, więc rolnicy mogą używać jej boso na zewnątrz i jest stosunkowo realistyczna, mówi Winter. Jest jednak dość ciężki, a jego wewnętrzna konstrukcja jest w całości wykonana ręcznie, co powoduje duże zróżnicowanie jakości produktu. Jaipur Foot poprosił Winter o zaprojektowanie lepszej, lżejszej stopy, która mogłaby być masowo produkowana przy niskich kosztach.

Po ponownym przemyśleniu typowego projektu stopy, zespół Wintera, kierowany przez Kathryn Olesnavage ’12, SM ’14, PhD ’18, zdał sobie sprawę, że osoby po amputacji, które straciły kończynę poniżej kolana, nie czują tego, co robi proteza. Dla użytkownika stopa jest czymś w rodzaju czarnej skrzynki, mówi Winter. Nie jest połączony z ich układem nerwowym i nie wchodzą w intymną interakcję ze stopą.

Więc zamiast próbować odtworzyć ruchy zdrowszej stopy, skupili się na ruchach podudzia.

Po opracowaniu modelu matematycznego opisującego sztywność, możliwy ruch i kształt protezy, połączyli dane dotyczące sił reakcji podłoża zebrane od zdrowych spacerowiczów, które mogli podsumować, aby przewidzieć, jak podudzie użytkownika poruszy się w jednym kroku. Następnie dostroili sztywność i geometrię symulowanej stopy, aby uzyskać trajektorię podudzia podobną do ruchu osób zdrowych.

Aby określić idealny kształt stopy, grupa symulowała różne stopy, eliminując kształty, które nie dawały w modelu czegoś zbliżonego do chodu sprawnego. Następnie wymieszali i dopasowali cechy pozostałych kształtów, aby uzyskać taki, który wytworzył najbardziej naturalną trajektorię dolnych partii nóg. Wynik wygląda podobnie do widoku z boku toru saneczkowego.

Olesnavage i Winter doszli do wniosku, że jeśli zróżnicują sztywność i kształt w zależności od masy i rozmiaru ciała osoby, proteza będzie również generować ruchy nóg podobne do chodzenia sprawnego. Aby przetestować ten pomysł, ukształtowali kilka stóp dla wolontariuszy w Indiach, używając obrabianego maszynowo nylonu, materiału wybranego ze względu na jego zdolność do magazynowania energii.

Fajne jest to, że nie zachowuje się jak sprawna stopa – nie ma stawu skokowego ani śródstopia, mówi Winter. To tylko jedna duża struktura, a wszystko, na czym nam zależy, to sposób, w jaki dolna noga porusza się w przestrzeni. Większość testów była przeprowadzana w pomieszczeniu, ale jeden facet wybiegł na zewnątrz, bardzo mu się to podobało. Dodaje sprężystości Twojemu krokowi.

Włoski producent butów turystycznych Vibram projektuje realistyczne pokrycie protezy, które zapewni jej przyczepność na błotnistych lub śliskich nawierzchniach. Naukowcy planują przetestować protezy i pokrycia na ochotnikach w Indiach latem przyszłego roku.

Ten model może potencjalnie zmienić zasady gry w branży, mówi Winter, ponieważ możemy w pełni określić ilościowo stopę i dostosować ją do indywidualnych potrzeb oraz użyć tańszych materiałów.

ukryć