Цифровое производство персонализированной обуви со встроенными датчиками

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1962 (2023) Цитировать эту статью

4400 Доступов

2 цитаты

195 Альтметрика

Подробности о метриках

Сильный клинический спрос на более точные и персонализированные технологии мониторинга здоровья потребовал разработки носимых устройств аддитивного производства. Хотя палитра материалов для аддитивного производства продолжает расширяться, интеграция материалов, конструкций и методов цифрового производства в единый рабочий процесс остается сложной задачей. В этой работе предлагается платформа 3D-печати для комплексного изготовления мягких носимых устройств на основе силикона со встроенными пьезорезистивными датчиками. Чернила на основе силикона, содержащие нанокристаллы целлюлозы и/или наполнители сажи, были тщательно разработаны и использованы для прямого письма чернилами в образце стельки для обуви с инкапсулированными датчиками, способными измерять как нормальные, так и сдвиговые силы. Благодаря точной настройке свойств материала в соответствии с ожидаемым подошвенным давлением стелька для обуви, изготовленная по индивидуальному заказу пациента, была полностью напечатана на 3D-принтере при комнатной температуре для измерения сил ходьбы во время физической активности. Более того, цифровой подход позволяет быстро адаптировать расположение датчиков для удовлетворения конкретных потребностей пользователя и, таким образом, производить улучшенные стельки за несколько быстрых итераций. Разработанные материалы и рабочий процесс позволяют создать новое поколение полностью 3D-печатных программных электронных устройств для мониторинга здоровья.

Стандарты в здравоохранении постоянно совершенствуются, поскольку потребность в более точном и персонализированном мониторинге здоровья продолжает расти1,2,3,4,5,6,7. Этот спрос исходит не только от медицинского сектора, стремящегося удовлетворить строго клинические потребности, но также от спортсменов и любителей спорта, которые хотят лучше осознавать свое состояние здоровья и физическое состояние3,8. Для решения этой проблемы разрабатываются персонализированные мягкие носимые сенсорные системы, которые будут предоставлять показатели физиологического здоровья в течение длительного времени1, не жертвуя при этом комфортом пользователя9,10. Одним из целевых приложений для непрерывного мониторинга здоровья является анализ походки, который может дать представление об общем состоянии здоровья11, старении12,13, спортивных результатах и ​​восстановлении после травм14. Хотя было достигнуто множество успехов в разработке материалов и датчиков для создания носимых устройств для мониторинга походки1,9, существует лишь несколько комплексных решений, которые можно легко адаптировать к потребностям пользователя. Более того, золотым стандартом измерения движений при походке по-прежнему являются стационарные инструменты10,15, которые нельзя использовать для мониторинга в условиях свободной жизни. В этом контексте инерционные датчики оказались перспективными в качестве носимого решения16. Однако необходимые протоколы измерений для их использования все еще находятся в стадии разработки, а долгосрочный мониторинг с использованием устройств, ориентированных на конкретного пациента, еще не продемонстрирован17.

Электронная обувь в виде носков и стелек со встроенными датчиками предлагает привлекательную стратегию надежного измерения походки10,18, обеспечивая при этом высокую степень комфорта для пользователя. Поскольку стельки можно легко и незаметно вставить в обувь, они являются идеальными кандидатами для мониторинга движений при походке. Выбор формы, положения и материала стельки также дает возможность улучшить походку и предотвратить дальнейшие проблемы со здоровьем за счет коррекции осанки и улучшения распределения подошвенного давления14,19. Более того, на спортивные результаты может положительно повлиять использование стелек с регулируемой жесткостью и геометрией20. Интеграция датчиков в современные стельки представляет собой открытую производственную задачу, для решения которой предлагались различные концепции. На данный момент было разработано несколько эластомерных интеллектуальных подошвенных сенсорных систем со встроенными механическими сенсорными механизмами, включая емкостные21,22, пьезорезистивные23, силочувствительные резисторы24 и трибоэлектрические25,26 датчики давления. Такие интегрированные системы производятся либо с помощью катушечного производства27, лазерной индукции28 или производства в чистых помещениях29. Несмотря на эти заманчивые разработки, нынешние подходы по-прежнему основаны на традиционных производственных рабочих процессах, которые не могут удовлетворить растущий спрос на цифровизацию и персонализацию.