Solette stampate in 3D per rilevare le forze esercitate nelle scarpe

Negli sport d’élite, le frazioni di secondo a volte fanno la differenza tra la vittoria e la sconfitta. Per ottimizzare le loro prestazioni, gli atleti utilizzano plantari su misura.

Ma anche le persone che soffrono di dolori muscolo-scheletrici si rivolgono ai plantari per combattere il loro disagio.

Prima che gli specialisti possano applicare con precisione questi plantari, devono creare un profilo di pressione del piede.

A tal fine, gli atleti o i pazienti devono camminare a piedi nudi su tappeti sensibili alla pressione, dove lasciano le loro impronte individuali.

Sulla base di questo profilo di pressione, gli ortopedici creano poi a mano dei plantari personalizzati. Il problema di questo approccio è che le ottimizzazioni e le regolazioni richiedono tempo.

Un altro svantaggio è che i tappetini sensibili alla pressione consentono di effettuare misurazioni soltanto in uno spazio ristretto, ma non durante gli allenamenti o le attività all’aperto.

Ora un’invenzione di un gruppo di ricerca dell’ETH, dell’EPFL e del Laboratorio Federale per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali potrebbe migliorare notevolmente le cose.

I ricercatori hanno utilizzato la stampa 3D per produrre una soletta personalizzata con sensori di pressione integrati, che possono misurare la pressione sulla pianta del piede direttamente nella scarpa durante varie attività.

L’invenzione è stata recentemente pubblicata sulla rivista “Scientific Reports”.

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Gilberto Siqueira: “Dal tallone capiamo se si corre, sale le scale o si ha un carico sulla schiena”

“Dai modelli di pressione rilevati, è possibile capire se una persona sta camminando, correndo, salendo le scale o anche portando un carico pesante sulla schiena, nel qual caso la pressione si sposta maggiormente sul tallone”, spiega il co-progettista Gilberto Siqueira.

“In questo modo, i noiosi test sui tappetini diventano un ricordo del passato”, conclude l’assistente senior presso l’EMPA e il Complex Materials Laboratory del Politecnico di Zurigo.

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Produzione in un solo passaggio con un estrusore e più inchiostri conduttivi a base d’argento

Queste solette non sono soltanto facili da usare, ma anche da realizzare.

Vengono prodotte in un solo passaggio, compresi i sensori e i conduttori integrati, utilizzando un’unica stampante 3D, chiamata estrusore.

Per la stampa, i ricercatori utilizzano diversi inchiostri sviluppati appositamente per questa applicazione.

Come base per la soletta, gli scienziati dei materiali utilizzano una miscela di silicone e nanoparticelle di cellulosa.

Successivamente, stampano i conduttori su questo primo strato utilizzando un inchiostro conduttivo contenente argento.

Poi stampano i sensori sui conduttori in singoli punti, utilizzando un inchiostro contenente nerofumo.

I sensori non sono distribuiti a caso: sono posizionati esattamente dove la pressione della pianta del piede è maggiore.

Per proteggere i sensori e i conduttori, i ricercatori li rivestono con un altro strato di silicone.

Una difficoltà iniziale è stata quella di ottenere una buona adesione tra i diversi strati di materiale.

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La buona adesione tra i diversi strati di materiale siliconico è garantita con plasma caldo

I ricercatori hanno risolto il problema trattando la superficie degli strati di silicone con plasma caldo.

Come sensori per misurare le forze normali e di taglio, hanno utilizzato componenti piezoelettrici, che convertono la pressione meccanica in segnali elettrici.

Inoltre, i ricercatori hanno integrato nella suola un’interfaccia per la lettura dei dati generati.

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I dati dei movimenti saranno letti nel futuro in modalità wireless anziché con un cavo

I test hanno dimostrato che la soletta prodotta in modo additivo funziona bene.

“Con l’analisi dei dati, possiamo identificare le diverse attività in base alla risposta dei sensori e alla loro intensità”, spiega Siqueira.

Al momento, Siqueira e i suoi colleghi hanno ancora bisogno di un cavo di collegamento per leggere i dati; a tal fine, hanno installato un contatto sul lato della soletta.

Uno dei prossimi passi di sviluppo, dice, sarà quello di creare una connessione wireless.

“Tuttavia, la lettura dei dati non è stata finora l’obiettivo principale del nostro lavoro”.

In futuro, le solette stampate in 3D con sensori integrati potrebbero essere utilizzate dagli atleti o in fisioterapia, ad esempio per misurare i progressi dell’allenamento o della terapia.

Sulla base di questi dati di misurazione, i piani di allenamento possono essere adattati e le solette permanenti con diverse zone dure e morbide possono essere prodotte tridimensionalmente.

Sebbene Gilberto Siqueira ritenga che il prodotto abbia un forte potenziale di mercato, soprattutto negli sport d’élite, il suo team non ha ancora compiuto alcun passo verso la commercializzazione.

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Sotto la guida di Danick Briand, l’Ospedale Universitario di Losanna e l’azienda Numo

Il ricercatore dell’EPFL Danick Briand ha coordinato il progetto e il suo gruppo ha fornito i sensori, mentre i ricercatori dell’ETH e dell’EMPA hanno sviluppato gli inchiostri e la piattaforma di stampa.

Al progetto hanno partecipato anche l’Ospedale Universitario di Losanna (CHUV) e l’azienda ortopedica Numo.

Il progetto è stato finanziato dal programma Advanced Manufacturing Strategic Focus Areas del settore ETH.

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