Wraz z rozwojem druku 3D jest całkowicie możliwe drukowanie w 3D własnej protezy z modeli znalezionych w bazach danych o otwartym kodzie źródłowym.
Ale w tych modelach brakuje spersonalizowanych elektronicznych interfejsów użytkownika, takich jak te, które można znaleźć w kosztownych, najnowocześniejszych protezach.
Teraz profesor Virginia Tech i jego interdyscyplinarny zespół studentów studiów licencjackich poczynili postępy w integracji czujników elektronicznych ze spersonalizowaną protezą drukowaną w 3D — rozwój, który pewnego dnia może doprowadzić do bardziej przystępnych cenowo protez zasilanych elektrycznie.
To niedawno opublikowane badanie przeprowadzone w laboratorium Blake'a Johnsona, adiunkta Virginia Tech w dziedzinie inżynierii przemysłowej i systemowej, poczyniło krok naprzód w ulepszaniu funkcjonalności drukowanych w 3D spersonalizowanych systemów do noszenia.
Integrując czujniki elektroniczne na przecięciu protezy z tkanką noszącego, naukowcy mogą gromadzić informacje związane z funkcją protezy i wygodą, takie jak nacisk na tkankę noszącego, co może pomóc w ulepszeniu dalszych iteracji tego typu protez.
Integracja materiałów w dopasowanych do kształtu regionach protez drukowanych w 3D za pomocą konformalnej techniki drukowania 3D, zamiast ręcznej integracji po wydrukowaniu, może również utorować drogę wyjątkowym możliwościom dopasowania twardości tkanki użytkownika i integracji czujników w różnych lokalizacje w całym interfejsie dopasowania formy. W przeciwieństwie do tradycyjnego druku 3D, który polega na nakładaniu materiału warstwa po warstwie na płaską powierzchnię, konformalny druk 3D umożliwia osadzanie materiałów na zakrzywionych powierzchniach i przedmiotach.
Według Yuxin Tong, absolwentki inżynierii przemysłowej i systemów oraz pierwszego autora opublikowanego badania, ostatecznym celem jest stworzenie praktyk i procesów inżynierskich, które mogą dotrzeć do jak największej liczby osób, zaczynając od wysiłków mających na celu pomoc w opracowaniu protezy dla jednej osoby. lokalny nastolatek.
„Mam nadzieję, że każdy rodzic mógłby postępować zgodnie z opisem z opublikowanego przez nas artykułu i opracować niedrogą, spersonalizowaną protezę ręki dla swojego dziecka” – powiedział Tong.
Aby opracować protezę zintegrowaną z czujnikami elektronicznymi, badacze zaczęli od danych ze skanowania 3D, co przypomina robienie zdjęć pod różnymi kątami, aby uzyskać pełną formę obiektu — w tym przypadku formy kończyny nastolatka.
Następnie wykorzystali dane ze skanowania 3D, aby poprowadzić integrację czujników z dopasowaną do kształtu wnęką protezy przy użyciu techniki konforemnego drukowania 3D.
Proces opracowany przez zespół badawczy nada się do dalszych zastosowań w medycynie spersonalizowanej i projektowaniu systemów do noszenia na ciele.
„Personalizacja i modyfikacja właściwości i funkcjonalności interfejsów systemów wearable za pomocą skanowania 3D i drukowania 3D otwiera drzwi do projektowania i wytwarzania nowych technologii pomocy ludziom i opieki zdrowotnej oraz badania podstawowych kwestii związanych z funkcjonalnością i komfortem systemów wearable – powiedział Johnson.
Badania Johnsona nad protezami rąk zostały zainspirowane, gdy dowiedział się o córce swojego kolegi, Josie Fraticelli, wówczas 12-letniej, która urodziła się z zespołem opaski owodniowej. W macicy rozwój jej ręki zatrzymał się. Owodnione pasma przypominające struny ograniczały przepływ krwi i wpływały na rozwój prawej ręki, powodując brak formacji poza kostkami.
Johnson wykorzystał swoją pokrewną wiedzę badawczą w dziedzinie addytywnej bioprodukcji i zespół interdyscyplinarnych badaczy licencjackich, aby wydrukować w 3D bioniczną rękę dla Fraticelli, która stała się podstawą obecnie opublikowanych badań.
Pracując z Fraticellim, kontynuowali ulepszanie prototypu protezy, opracowując nowe techniki wytwarzania przyrostowego, które pozwoliłyby na lepsze dopasowanie do dłoni Fraticelli, tworząc wygodniejsze, dopasowujące się do kształtu urządzenie protetyczne.
Potwierdzili, że personalizacja protezy zwiększyła kontakt między tkanką Fraticelli a protezą prawie czterokrotnie w porównaniu z urządzeniami niespersonalizowanymi. Ta zwiększona powierzchnia styku pomogła im określić, gdzie należy rozmieścić matryce elektrod detekcyjnych w celu przetestowania rozkładu ciśnienia, co pomogło im w dalszym ulepszaniu projektu.
Eksperymenty z wykrywaniem przeprowadzono przy użyciu dwóch spersonalizowanych protez z matrycami elektrod wykrywających i bez nich. Przeprowadzając te eksperymenty z Fraticellim, odkryli, że rozkład nacisku był inny, gdy rozluźniła rękę w porównaniu do trzymania jej w zgiętej pozycji.
„Niedopasowanie między miękką skórą a sztywnym interfejsem nadal jest problemem, który zmniejszy zgodność” – powiedział Tong. „Macierze elektrod wykrywających mogą otworzyć kolejny nowy obszar, aby ulepszyć projekt protetyki z perspektywy rozprowadzenia lepszej równowagi nacisku”.
Ogólnie rzecz biorąc, Fraticelli uważa, że nowa spersonalizowana proteza poprawia jej poziom komfortu. Ponieważ jej ręka jest miękka i zmienna w różnych pozycjach, a materiał protetyczny jest sztywny i nieruchomy, poziom dostosowania może się nadal zmieniać.
Spersonalizowana protetyka wciąż ma miejsce na ulepszenia, a zespół Johnsona będzie nadal badał i rozwijał nowe techniki wytwarzania addytywnego, aby udoskonalać nadające się do noszenia urządzenia bioniczne.
Badania te były wspierane przez Narodową Fundację Nauki (Division of Undergraduate Education) oraz Student Engineers' Council z Virginia Tech; Interdyscyplinarny program studiów podyplomowych w zakresie komputerowej inżynierii tkankowej; oraz Instytut Kreatywności, Sztuki i Technologii.
Otrzymuj najnowsze wiadomości naukowe dzięki bezpłatnym biuletynom e-mail ScienceDaily, aktualizowanym codziennie i co tydzień. Lub przeglądaj aktualizowane co godzinę kanały informacyjne w czytniku RSS:
Powiedz nam, co myślisz o ScienceDaily — mile widziane są zarówno pozytywne, jak i negatywne komentarze. Masz problemy z korzystaniem z serwisu? Pytania?
Czas publikacji: 14.04.2019