La tecnologia degli arti protesici ha fatto passi da gigante, dando agli amputati una gamma di opzioni bioniche, comprese le ginocchia artificiali controllate da microchip, piedi carichi di sensori guidati dall'intelligenza artificiale, e mani robotiche che un utente può manipolare con la sua mente. Ma tali progetti high-tech possono costare decine di migliaia di dollari, rendendoli irraggiungibili per molti amputati, soprattutto nei paesi in via di sviluppo.

Ora gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un semplice, basso costo, piede protesico passivo che possono adattare a un individuo. Dato il peso corporeo e le dimensioni di un utente, i ricercatori possono mettere a punto la forma e la rigidità del piede protesico, tale che la camminata dell'utente è simile a un'andatura abile. Stimano che il piede, se fabbricato su larga scala, potrebbe costare un ordine di grandezza inferiore rispetto ai prodotti esistenti.

Le protesi progettate su misura si basano su un framework di progettazione sviluppato dai ricercatori, che fornisce un modo quantitativo per prevedere le prestazioni biomeccaniche di un utente, o comportamento di deambulazione, basato sulla progettazione meccanica del piede protesico.

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

Winter e l'ex studentessa Kathryn Olesnavage riportano i dettagli di questo quadro in Transazioni IEEE sui sistemi neurali e riabilitazione . Hanno pubblicato i loro risultati sul loro nuovo piede protesico nell'ASME Journal of Mechanical Design, con lo studente laureato Victor Prost e l'ingegnere di ricerca William Brett Johnson.

Nel 2012, subito dopo che Winter si unì alla facoltà del MIT, è stato avvicinato da Jaipur Foot, un produttore di arti artificiali con sede a Jaipur, India. L'organizzazione produce un piede protesico passivo, rivolto agli amputati nei paesi in via di sviluppo, e dona più di 28, 000 modelli ogni anno agli utenti in India e altrove.

"Fanno questo piede da oltre 40 anni, ed è robusto, così gli agricoltori possono usarlo a piedi nudi all'aperto, ed è relativamente realistico, quindi se la gente va in una moschea e vuole pregare a piedi nudi, è probabile che non vengano stigmatizzati, "Dice l'inverno. "Ma è piuttosto pesante, e la struttura interna è realizzata tutta a mano, che crea una grande variazione nella qualità del prodotto."

L'organizzazione ha chiesto a Winter se poteva progettare una migliore, piede più leggero che potrebbe 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 mettere a punto tutto ciò per far sì che una persona cammini nel modo in cui vogliamo che cammini?'" ricorda Winter.

Il gruppo, guidato da Olesnavage, per prima cosa ha cercato un modo per mettere in relazione quantitativamente le caratteristiche meccaniche di una protesi con le prestazioni di deambulazione dell'utente, una relazione fondamentale che non era mai stata completamente codificata.

Mentre molti sviluppatori di piedi protesici si sono concentrati sulla replica dei movimenti di piedi e caviglie normodotati, Il team di Winter ha adottato un approccio diverso, sulla base della loro realizzazione che gli amputati che hanno perso un arto sotto il ginocchio non possono sentire cosa fa un piede protesico.

"Una delle intuizioni critiche che abbiamo avuto è stata che, ad un utente, il piede è una specie di scatola nera:non è collegato al loro sistema nervoso, e non interagiscono intimamente con il piede, "Dice l'inverno.

Invece di progettare un piede protesico per replicare i movimenti di un piede abile, lui e Olesnavage hanno cercato di progettare un piede protesico che producesse movimenti della parte inferiore della gamba simili a quelli della parte inferiore della gamba di una persona abile mentre cammina.

"Questo ci ha davvero aperto lo spazio del design, " Winter dice. "Possiamo potenzialmente cambiare drasticamente il piede, fintanto che facciamo fare alla parte inferiore della gamba ciò che vogliamo che faccia, in termini di cinematica e carico, perché questo è ciò che un utente percepisce."

Con la parte inferiore della gamba in mente, il team ha cercato modi per mettere in relazione la meccanica del piede con il movimento della parte inferiore della gamba mentre il piede è a contatto con il suolo. Per fare questo, i ricercatori hanno consultato un set di dati esistente che comprende misurazioni dei passi compiuti da un deambulatore abile con una determinata dimensione corporea e peso. Ad ogni passo, precedenti ricercatori avevano registrato le forze di reazione del terreno e il cambiamento del centro di pressione sperimentato dal piede di un deambulatore mentre oscillava dal tallone alla punta, insieme alla posizione e alla traiettoria della parte inferiore della gamba.

Winter e i suoi colleghi hanno sviluppato un modello matematico di un semplice, piede protesico passivo, che descrive la rigidità, possibile movimento, e la forma del piede. Hanno inserito nel modello le forze di reazione del suolo dal set di dati, che potrebbero riassumere per prevedere come la parte inferiore della gamba di un utente si tradurrebbe in un singolo passaggio.

Con il loro modello, hanno quindi regolato la rigidità e la geometria del piede protesico simulato per produrre una traiettoria della parte inferiore della gamba che fosse vicina all'oscillazione abile, una misura che considerano un "errore di traiettoria della parte inferiore della gamba" minimo.

"Idealmente, sintonizzeremmo perfettamente la rigidità e la geometria del piede in modo da replicare esattamente il movimento della parte inferiore della gamba, " Winter dice. "Nel complesso, abbiamo visto che possiamo avvicinarci dannatamente al movimento e al carico normodotati, con una struttura passiva".

Evolvere in curva

Il team ha quindi cercato di identificare una forma ideale per un piede protesico monocomponente che fosse semplice ed economico da produrre, pur continuando a produrre una traiettoria delle gambe molto simile a quella dei camminatori normodotati.

Per individuare una forma ideale del piede, il gruppo ha eseguito un "algoritmo genetico", una tecnica comune utilizzata per eliminare le opzioni sfavorevoli, alla ricerca dei design più ottimali.

"Proprio come una popolazione di animali, abbiamo fatto un popolo di piedi, il tutto con diverse variabili per creare diverse forme di curva, "Dice Winter. "Li abbiamo caricati nella simulazione e calcolato il loro errore di traiettoria della parte inferiore della gamba. Quelli che hanno avuto un errore elevato, ci siamo ammazzati".

Quelli che hanno avuto un errore inferiore, i ricercatori hanno ulteriormente mescolato e abbinato ad altre forme, far evolvere la popolazione verso una forma ideale, con il minor errore di traiettoria della parte inferiore della gamba. Il team ha utilizzato un'ampia curva di Bezier per descrivere la forma del piede utilizzando solo poche variabili selezionate, che erano facili da variare nell'algoritmo genetico. La forma del piede risultante sembrava simile alla vista laterale di uno slittino.

Olesnavage e Winter hanno pensato che adattando la rigidità e la forma di questa curva di Bezier al peso e alle dimensioni del corpo di una persona, il team dovrebbe essere in grado di produrre un piede protesico che generi movimenti delle gambe simili alla deambulazione normodotata. Per testare questa idea, i ricercatori hanno prodotto diversi piedi per i volontari in India. Le protesi sono state realizzate in nylon lavorato, un materiale scelto per la sua capacità di accumulo di energia.

"Ciò che è bello è, questo non si comporta come un piede abile - non c'è caviglia o articolazione metatarsale - è solo una grande struttura, e tutto ciò che ci interessa è come la parte inferiore della gamba si muove nello spazio, "Dice Winter. "La maggior parte dei test è stata eseguita al chiuso, ma un ragazzo corse fuori, gli è piaciuto tanto. Mette una molla nel tuo passo."

Andando avanti, il team ha stretto una partnership con Vibram, un'azienda italiana che produce suole in gomma:scarpe da trekking flessibili e scarpe da corsa che sembrano piedi. L'azienda sta progettando una copertura realistica per la protesi del team, che darà anche al piede una certa trazione su superfici fangose ​​o scivolose. I ricercatori hanno in programma di testare le protesi e le coperture su volontari in India questa primavera.

Winter afferma che il semplice design del piede protesico può anche essere un'opzione molto più economica e duratura per popolazioni come i soldati che vogliono tornare in servizio attivo o i veterani che vogliono vivere uno stile di vita attivo.

"Un piede passivo comune nel mercato statunitense costerà $ 1, 000 a $ 10, 000, realizzato in fibra di carbonio. Immagina di andare dal tuo protesista, prendono alcune misure, li rimandano a noi, e ti rispediamo un piedino in nylon su misura per poche centinaia di dollari. Questo modello è potenzialmente rivoluzionario per il settore, perché possiamo quantificare completamente il piede e accordarlo per gli individui, e utilizzare materiali più economici."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.