The effect of midsole shape on Running Prosthetic Feet during experimental and numerical simulation of a mid-stance inspired test condition: a preliminary study
تُظهر هذه الدراسة الأولية أن الحشوات الوسطى القابلة للتبديل يمكن أن تغير بشكل كبير الصلابة الميكانيكية وتدرج قوة رد فعل الأرض للقدم الاصطناعية للجري أثناء اختبار مرحلة منتصف الوقوف، مع نجاح نماذج العناصر المحدودة المبسطة في إعادة إنتاج الاتجاهات الملحوظة في الصلابة الكلية.
المؤلفون الأصليون:Francesco Lorè, Mattia Scapinello, Andrea Giovanni Cutti, Nicola Petrone
تخيل أنك عداء، ولكن بدلاً من الساقين، لديك شفرات من ألياف الكربون عالية التقنية ومرنة. هذه ليست مجرد عصي؛ بل هي مصممة لتخزين الطاقة عند الهبوط والارتداد بقوة لدفعك للأمام، تماماً مثل لوح القفز. لكن الجزء الصعب هنا هو: تماماً كما تحتاج القدم الحقيقية إلى أحذية للتعامل مع مختلف المضامير أو السرعات، تحتاج هذه الأرجل الاصطناعية إلى وسيلة لتغيير مدى "صلابة" أو "ارتداد" شعورها دون استبدال الشفرة الباهظة بالكامل. كان العلماء يتساءلون عما إذا كان الجزء الوسادي الصغير بين الشفرة والأرض — "النعل الأوسط" — يمكن أن يعمل كقرص تحكم سري. إذا غيرت شكل ذلك الوسادة، فهل يغير ذلك كيفية سلوك الساق بأكملها؟ الأمر يشبه التساؤل عما إذا كان تغيير شكل حشوة الترامبولين يغير مدى ارتفاع قفزتك، حتى لو ظلت النوابض الموجودة تحتها كما هي تماماً. هذا السؤال مهم لأنه إذا تمكن العداؤون من تعديل أطرافهم الاصطناعية باستخدام قطع داخلية بسيطة ورخيصة بدلاً من شراء شفرات جديدة، فسيتمكنون من التكيف مع الأمطار، أو أسطح المضامير، أو مسافات السباق المختلفة بسهولة أكبر بكثير.
تجربة مغيري الأشكال
في هذه الدراسة التي تجمع بين المرح والجدية، قرر فريق من الباحثين من إيطاليا اللعب بأشكال هذه النعال الوسطى لمعرفة ما سيحدث. لقد أخذوا قدماً اصطناعية قياسية واحدة للجري (شفرة من ألياف الكربون على شكل حرف C) وعاملوها كعينة اختبار في آلة ضغط عملاقة وبطيئة الحركة. لم يتركوها عارية فحسب؛ بل وضعوها بين الأرض وثلاث قطع "وسادة" قابلة للتبديل مصنوعة من مادة تشبه الرغوة تسمى EVA. فكر في هذه القطع كقطع أحجية مختلفة: إحداها كانت منحنية مثل القطع المكافئ (M01)، والأخرى لها انحناء مزدوج "انثناء مزدوج" (M02)، والثالثة كانت خطاً مستقيماً بسيطاً (M03).
قام الفريق بالضغط على القدم لأسفل مسافة هائلة قدرها 110 ملم (حوالي طول مسطرة) في اختبار محكم وبطيء يحاكي منتصف خطوة الجري. أرادوا معرفة ما إذا كان شكل الوسادة الرغوية يمكن أن يغير "صلابة" النظام بأك ول. كانت النتائج واضحة بشكل مفاجئ: شكل الرغوة كان مهماً بالفعل! جعلت القطع المنحنية وذات الانثناء المزدوج (M01 و M02) الساق تبدو أكثر صلابة، حيث زادت مقاومتها بنسبة 24% و28% على التوالي مقارنة بعدم وجود أي وسادة إضافية على الإطلاق. وفي المقابل، جعلت القطعة ذات الخط المستقيم (M03) الساق تبدو أكثر ليونة، مما قلل الصلابة بنسبة 13%.
لكن الأمر لم يقتصر فقط على مدى صعوبة الضغط لأسفل. فقد نظر الباحثون أيضاً في كيفية "تصلب" القدم أثناء انضغاطها. ووجدوا أن جميع أشكال الرغوة الثلاثة جعلت القدم أقل عرضة للزيادة التدريجية في الصلابة أثناء انضغاطها، وهو نوع مختلف من التغيير الميكانيكي. كما تتبعوا مكان تأثير القوة على الأرض ("مركز الضغط"). جعلت الرغوات المنحنية القوة تضرب بالقرب من خلف القدم، بينما سمحت الرغوة المستقيمة للقوة بالانزلاق نحو الأمام أكثر.
وللتأكد من نتائجهم، بنى الفريق محاكاة حاسوبية — نسخة رقمية توأم من التجربة. كان هذا النموذج الافتراضي جيداً جداً في توقع الصورة الكبيرة؛ فقد توقع بدقة أن الرغوات المنحنية ستجعل الساق أكثر صلابة وأن المستقيمة ستجعلها أكثر ليونة. ومع ذلك، كان النموذج الحاسوبي أقل دقة قليلاً عند محاولة التنبؤ بالتغييرات الدقيقة في كيفية تصلب القدم أثناء الضغط.
يؤكد الباحثون بحذر أن هذه مجرد "دراسة أولية"، مما يعني أنها نظرة أولى على الفكرة وليست كتاب قواعد نهائي. لقد اختبروا نوعاً واحداً فقط من الشفرات وثلاثة أشكال محددة من الرغوة. لكن الخلاصة الرئيسية مثيرة للاهتمام: إن شكل الوسادة الصغيرة بين الشفرة والأرض يمكن بالفعل أن يعمل كقرص ضبط، مما يغير كيفية شعور الطرف الاصطناعي وسلوكه. وهذا يشير إلى أنه في المستقبل، قد يتمكن العداؤون من استبدال هذه القطع الرغوية البسيطة لتخصيص جريهم، بدلاً من الحاجة إلى ساق جديدة بالكامل لكل ظرف مختلف.
ملخص تقني: تأثير شكل النعل الأوسط على أطراف الجري الاصطناعية
بيان المشكلة تُعد أطراف الجري الاصطناعية (RPF) مكونات سلبية من ألياف الكربون تعمل على تخزين وإطلاق الطاقة المرنة. وبينما يحدد المصنعون فئات الصلابة بناءً على كتلة جسم المستخدم، فإن هذه الفئات تُعتبر إرشادات عملية وليست أوصافاً ميكانيكية دقيقة. ومن المعروف أن الاستجابة الميكانيكية لطرف الجري الاصطناعي تختلف بناءً على الطراز المحدد، وارتفاع الشفرة، والمحاذاة، وتكوين الاختبار. حالياً، يتطلب ضبط الاستجابة الميكانيكية لنظام الأطراف الاصطناعية تغيير نموذج الطرف بالكامل، أو فئة الصلابة، أو المحاذاة، وهو أمر قد يكون غير عملي ومكلفاً. ورغم أن صلابة الأحذية تؤثر على ميكانيكا الجري لدى الأصحاء، إلا أن المساهمة المحددة لهندسة النعل الأوسط في الاستجابة الميكانيكية لأطراف الجري الاصطناعية لا تزال غير محددة بدقة. تعالج هذه الدراسة ما إذا كان بإمكان حشوات النعل الأوسط القابلة للتبديل تعديل الأوصاف الميكانيكية لطرف جري اصطناعي واحد دون الحاجة لاستبدال هيكل ألياف الكربون الأساسي.
المنهجية اعتمدت الدراسة نهجاً يتكون من مرحلتين: الاختبار التجريبي على منصة الاختبار، والنمذجة العددية بالعناصر المحدودة (FE).
الإعداد التجريبي: تم اختبار طرف جري اصطناعي واحد من نوع (Ossur Cheetah Xceed CAT 2) (فئة صلابة للرياضيين بوزن 63/64 كجم) تحت بروتوكول شبه استاتيكي مستوحى من مرحلة منتصف الوقوف. تم تثبيت الطرف بزاوية تثبيت قدرها 10 درجات. تم تقييم أربعة تكوينات طرفية:
المجموعة الضابطة: الطرف مع النعل الخارجي المسنن القياسي فقط (بدون نعل أوسط).
M01: الطرف مع حشوة نعل أوسط من مادة (EVA) ذات شكل مكافئ (parabolic).
M02: الطرف مع حشوة نعل أوسط من مادة (EVA) ذات شكل ثنائي الانثناء (double-flex).
M03: الطرف مع حشوة نعل أوسط من مادة (EVA) ذات شكل خطي (linear).
صُنعت جميع الحشوات من مادة (EVA) بصلابة (Shore A 50) ووُضعت بين طرف الجري الاصطناعي والنعل الخارجي المسنن الثابت. تضمن الاختبار ضغطاً رأسياً شبه استاتيكي بمقدار 110 ملم بسرعة 0.5 ملم/ثانية، مع السماح للوحة الأرضية بالتحرك أفقياً للحفاظ على قوة أفقية تقترب من الصفر.
بارامترات التوصيف: تم قياس الاستجابة الميكانيكية باستخدام:
الصلابة المكافئة للطاقة المرنة (Keq).
نسبة التصلب (SR).
نسبة الثنائية المحورية (BR).
مسار مركز الضغط (CoP).
النمذجة العددية: تم تطوير نماذج عناصر محدودة ثنائية الأبعاد (plane-stress) في برنامج (Ansys Workbench) لجميع التكوينات الأربعة. تم نمذجة شفرة الطرف الاصطناعي كمادة متجانسة مرنة خطياً بمعامل "يونغ" مكافئ متماثل المناحي (تمت معايرته عند 72 جيجا بازل مقابل بيانات المجموعة الضابطة التجريبية). تم نمذجة النعل الأوسط وطبقات التارتان باستخدام صيغ (Yeoh) فائقة المرونة، بينما تم نمذجة النعل الخاري كمادة خطية المرونة. تم تحديد ظروف التلامس كسطح خشن بين النعل الخارجي والتارتان.
النتائج الرئيسية
تعديل الصلابة: مقارنة بالمجموعة الضابطة (بدون نعل أوسط)، أدت الحشوات ذات الشكل المكافئ (M01) والثنائي الانثناء (M02) إلى زيادة الصلابة الكلية (Keq) بنسبة 24% و28% على التوالي. وفي المقابل، قللت الحشوة الخطية (M03) من الـ (Keq) بنسبة 13%.
التصلب والاقتران: أدت جميع حشوات النعل الأوسط الثلاثة إلى تقليل نسبة التصلب (SR)، مما يشير إلى تغير في تطور الصلابة المحلية أثناء الضغط. أما نسبة الثنائية المحورية (BR)، التي تمثل الاقتران الأفقي-الرأسي، فقد أظهرت تغيرات طفيفة فقط (زيادات تتراوح بين 2-8%).
مركز الضغط (CoP): كانت مسارات مركز الضغط تعتمد على التكوين. أظهرت الحشوات M01 وM20 مسارات مركز ضغط أكثر خلفية عند الضغط المنخفض، ثم انتقلت نحو الأمام مع زيادة الحمل. بينما أظهرت M03 مساراً أكثر أمامية طوال مرحلة التحميل، حيث وصلت إلى أعلى قيم موجبة لمركز الضغط.
التحقق من النموذج: نجحت نماذج العناصر المحدودة (FE) في إعادة إنتاج اتجاهات التغيرات التجريبية في (Keq) (زيادة في M01/M02، ونقص في M03). تراوح جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) لمنحنيات القوة-الإزاحة بين 0.82% و2.18%. ومع ذلك، كانت التباينات أكبر في نسبة التصلب (SR)، حيث وصلت الفروق المئوية إلى 17.65% للحشوة M01.
الأهمية والادعاءات يقدم المؤلفون هذا العمل كإثبات مفهوم أولي واستكشافي. توضح الدراسة أن هندسة النعل الأوسط يمكن أن تؤثر بشكل كبير على استجابة اختبار المنصة لطرف الجري الاصطناعي، وتحديداً من خلال تغيير الصلابة الكلية وتطور الصلابة أثناء الضغط. تشير النتائج إلى أن حشوات النعل الأوسط القابلة للتبديل يمكن أن توفر طريقة أبسط وأكثر اقتصادية لضبط الاستجابة الميكانيكية لطرف الجري الاصطناعي مقارنة باستبدال مكون ألياف الكربون الأساسي.
علاوة على ذلك، تشير الدراسة إلى أن نماذج العناصر المحددة المبسطة قادرة على دعم المقارنة الأولية لاتجاهات الاستجابة الكلية (مثل Keq) عبر مختلف هندسات النعل الأوسط، رغم أنها أقل دقة في التنبؤ بسلوكيات التصلب المحلية (SR). ويحذر المؤلفون صراحةً من أن هذه النتائج تقتصر على طراز واحد من أطراف الجري الاصطناعية، وفئة صلابة واحدة، وظروف شبه استاتيكية. وبناءً على ذلك، لا ينبغي تعميم هذه النتائج على نماذج أخرى من أطراف الجري الاصطناعية أو ظروف الجري الديناميكية دون مزيد من البحث. وتخلص الدراسة إلى أنه بينما تؤثر الهندسة الطرفية على استجابات اختبار المنصة، إلا أن هناك حاجة إلى مزيد من العمل التجريبي قبل استخلاص الاستنتاجات المتعلقة بتحسين الأداء أو التطبيق السريري.