A Sensorised Lattice Footplate for a Semi-Active Prosthetic Foot

Resumen Técnico: Una Plantilla de Pie con Red de Celosía Sensibilizada para un Pie Protésico Semi-Activo

Planteamiento del Problema
Los pies protésicos de extremidad inferior actuales enfrentan un compromiso entre adaptabilidad y practicidad. Los pies pasivos de almacenamiento y retorno de energía (ESR, por sus siglas en inglés) son robustos y económicos, pero carecen de la capacidad de modular la rigidez y el amortiguamiento según la fase de la marcha, la velocidad o el terreno, lo que puede derivar en estrategias de marcha compensatorias y un aumento de la carga en la extremidad intacta. Por el contrario, los tobillos activos motorizados ofrecen una supervisión biológica superior, pero introducen una masa, costo y complejidad significativos debido a los motores, baterías y sistemas de control. Además, las soluciones adaptativas existentes suelen depender de mecanismos especializados o capas de detección externas (por ejemplo, plantillas), que están separadas de la estructura de soporte de carga, lo que limita la compacidad y la integración. Existe la necesidad de una solución semi-activa de bajo costo que integre la detección directamente en el elemento elástico para permitir la regulación del amortiguamiento sin la carga de la generación de potencia activa.

Metodología
Los autores proponen y caracterizan un prototipo integrado que combina tres componentes principales:

1. Plantilla de Celosía Sensibilizada Impresa en 3D: En lugar de un resorte monolítico de fibra de carbono, la plantilla es una celosía de tipo Cúbica de Cuerpo Centrado (BCC) impresa en PEBA. Esta incorpora imanes permanentes dentro de cavidades predefinidas y una PCB de magnetómetro debajo de la celosía. Este diseño utiliza la detección táctil magnética (inspirada en eFlesh) para estimar las fuerzas de contacto plantar y las distribuciones de carga basándose en los cambios del campo magnético inducidos por la deformación. Un Perceptrón Multicapa (MLP) procesa vectores de entrada magnética de 15 dimensiones para realizar la regresión de las estimaciones de fuerza.
2. Amortiguador Hidráulico Ajustable mediante Servomotor: Un mecanismo de tobillo articulado acopla un amortiguador hidráulico a una transmisión de engranajes accionada por un servomotor. El servomotor ajusta la apertura de la válvula del amortiguador, modulando el coeficiente de amortiguamiento ($b$) para regular la resistencia del tobillo durante la fase de apoyo. La relación entre el ángulo del servomotor y el coeficiente de amortiguamiento se caracterizó experimentalmente y se ajustó a un modelo exponencial.
3. Modelo Dinámico de Orden Reducido: Se desarrolló un modelo de eslabones en el plano sagital para simular la dinámica rotacional del tobillo, incorporando el amortiguador variable y un resorte de retorno. Este modelo se utilizó para evaluar la capacidad del sistema para seguir las trayectorias de un tobillo biológico bajo un esquema de amortiguamiento de alimentación hacia adelante (feedforward).

El proceso de validación consistió en tres etapas: (1) caracterización mecánica y de detección de la celosía bajo compresión controlada; (2) ensayos de postura estática bajo carga de peso corporal para verificar la capacidad del flujo de detección de extremo a extremo para distinguir configuraciones de apoyo; y (3) simulación de la respuesta de la fase de apoyo frente a una trayectoria de referencia de la literatura.

Contribuciones Clave

• Arquitectura de Detección Integrada: El artículo demuestra la incorporación de la detección plantar magnética directamente dentro del elemento elástico de soporte de carga, eliminando la necesidad de una capa de detección de plantilla externa separada.
• Modelado y Caracterización de Orden Reducido: Proporciona un marco acoplado de un modelo de tobillo articulado de orden reducido y la dinámica del amortiguador caracterizada experimentalmente, permitiendo la simulación del mecanismo semi-activo propuesto.
• Validación del Prototipo: El trabajo presenta un prototipo funcional que logra ajustar la rigidez de la celosía mediante la geometría de la celda unitaria, estima la fuerza con alta fidelidad bajo carga cíclica y separa las firmas de carga de antepié y talón a través de cuatro configuraciones de postura estática.

Resultos

• Desempeño de la Celosía y la Detección: Las pruebas mecánicas confirmaron que la rigidez de la plantilla es ajustable mediante el tamaño de la celda unitaria. Bajo compresión cíclica, el sensor embebido rastreó la fuerza de referencia de una máquina de ensayos universales con un Error Cuadrático Medio (RMSE) de 32.14 N (4.59% de la escala completa), validando que la estimación de fuerza es factible dentro de la estructura de soporte de carga.
• Clasificación de Postura Estática: En ensayos que simulaban el choque de talón, apoyo total del pie, dorsiflexión y despegue bajo una carga de aproximadamente el peso corporal, el sistema produjo distribuciones de fuerza de antepié y talón linealmente separables. Un clasificador basado en reglas identificó correctamente todas las cuatro posturas impuestas, confirmando la capacidad del flujo de detección para distinguir patrones de carga.
• Simulación de la Respuesta de Apoyo: La simulación de orden reducido, impulsada por un esquema de amortiguamiento de alimentación hacia adelante, reprodujo con éxito la tendencia de dorsiflexión de una trayectoria de referencia de un tobillo biológico durante la fase de apoyo temprana a media. Sin embargo, como era de esperar en un sistema puramente disipativo, la simulación no pudo generar el impulso activo (push-off) observado en los tobillos biológicos durante la fase de apoyo tardía, causando que la trayectoria divergiera de la referencia.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma demostrar que la detección plantar magnética puede integrarse con éxito dentro del elemento elástico de soporte de carga de un pie protésico de bajo costo y que la lectura de fuerza resultante es suficientemente informativa como para soportar una estrategia preliminar de amortiguamiento semi-activo. Los autores posicionan este trabajo como una plataforma de investigación compacta que integra soporte de carga, amortiguamiento ajustable y detección plantar.

Los autores mantienen una postura modesta respecto a las limitaciones actuales:

• El desempeño de la detección se evaluó únicamente bajo carga vertical controlada; los efectos de las fuerzas de cizallamiento, el contacto desigual y la histéresis del material permanecen sin cuantificar.
• El clasificador de postura estática no ha sido validado para transiciones dinámicas de la fase de la marcha.
• La incapacidad de generar un impulso activo se identifica como una limitación fundamental de la arquitectura semi-activa (disipativa) más que como un fallo del prototipo.

El estudio concluye que, si bien el prototipo aún no es un producto clínicamente desplegable (debido a la falta de certificación y pruebas de durabilidad), establece un emparejamiento de detección-actuación viable para futuras investigaciones sobre la modulación del amortiguamiento del tobillo dependiente de la marcha. El costo estimado del prototipo ($200) es significativamente menor que las alternativas comerciales, aunque los autores señalan que esta comparación es entre un dispositivo de investigación no certificado y productos clínicos certificados.