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The effect of midsole shape on Running Prosthetic Feet during experimental and numerical simulation of a mid-stance inspired test condition: a preliminary study

Este estudio preliminar demuestra que los insertos de entresuela intercambiables pueden alterar significativamente la rigidez mecánica y la progresión de la fuerza de reacción del suelo de un pie protésico de carrera durante las pruebas de la fase de apoyo medio, con modelos de elementos finitos simplificados que reproducen con éxito las tendencias observadas en la rigidez global.

Autores originales: Francesco Lorè, Mattia Scapinello, Andrea Giovanni Cutti, Nicola Petrone

Publicado 2026-08-12

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CC BY 4.0

Autores originales: Francesco Lorè, Mattia Scapinello, Andrea Giovanni Cutti, Nicola Petrone

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

La ciencia del paso elástico

Imagina que eres un corredor, pero en lugar de piernas, tienes cuchillas de fibra de carbono de alta tecnología y elásticas. Estas no son simples bastones; están diseñadas para almacenar energía al aterrizar y volver a impulsarte hacia adelante, de forma muy similar a un trampolín de clavados. Pero aquí está la parte complicada: al igual que un pie real necesita zapatos para adaptarse a diferentes pistas o velocidades, estas piernas artificiales necesitan una forma de cambiar qué tan "rígidas" o "rebotantes" se sienten sin tener que cambiar toda la costosa cuchilla. Los científicos se han estado preguntando si la pequeña parte acolchada entre la cuchilla y el suelo —la "entresuela"— podría actuar como un dial secreto. Si cambias la forma de ese cojín, ¿cambia el comportamiento de toda la pierna? Es un poco como preguntar si cambiar la forma del acolchado de un trampolín cambia qué tan alto saltas, incluso si los resortes debajo permanecen exactamente iguales. Esta pregunta es importante porque, si los corredores pudieran ajustar sus prótesis con inserciones simples y económicas en lugar de comprar nuevas cuchillas, podrían adaptarse a la lluvia, las superficies de las pistas o diferentes distancias de carrera con mucha más facilidad.

El experimento de los cambiadores de forma

En este estudio lúdico pero serio, un equipo de investigadores de Italia decidió jugar con la forma de estas entresuelas para ver qué sucedía. Tomaron un solo pie protésico de carrera estándar (una cuchilla de fibra de carbono en forma de C) y lo trataron como un sujeto de prueba en una gigantesca máquina de aplastamiento en cámara lenta. No lo dejaron simplemente desnudo; lo colocaron entre el suelo y tres diferentes insertos intercambiables de "cojín" hechos de un material similar a la espuma llamado EVA. Piensa en estos insertos como tres piezas de rompecabezas diferentes: uno era curvo como una parábola (M01), otro tenía una forma de "doble flexión" (M02), y uno era una simple línea recta (M03).

El equipo presionó el pie hacia abajo unos enormes 110 mm (aproximadamente el largo de una regla) en una prueba controlada y lenta que imita la mitad de un paso de carrera. Querían ver si la forma de ese cojín de espuma podía cambiar la "rigidez" de todo el sistema. Los resultados fueron sorprendentemente claros: ¡la forma de la espuma realmente importaba! Los insertos curvos y de doble flexión (M01 y M02) hicieron que la pierna se sintiera más rígida, aumentando su resistencia aproximadamente un 24% y un 28% respectivamente en comparación con no tener ningún cojín adicional. Por el contrario, el inserto de línea recta (M03) hizo que la pierna se sintiera más blanda, reduciendo la rigidez en un 13%.

Pero no se trataba solo de qué tan difícil era presionar hacia abajo. Los investigadores también observaron cómo el pie se "endurecía" a medida que se comprimía. Descubrieron que las tres formas de espuma hacían que el pie fuera menos propenso a volverse progresivamente más rígido a medida que se comprimía, lo cual es un tipo diferente de cambio mecánico. También rastrearon dónde golpeaba la fuerza el suelo (el "centro de presión"). Las espumas curvas hicieron que la fuerza golpeara más cerca de la parte trasera del pie, mientras que la espuma recta permitió que la fuerza se deslizara más hacia adelante.

Para verificar sus hallazgos, el equipo construyó una simulación por computadora: un gemelo digital del experimento. Este modelo virtual fue bastante bueno para adivinar el panorama general; predijo correctamente que las espumas curvas harían la pierna más rígida y que la recta la haría más blanda. Sin embargo, el modelo computacional fue un poco menos preciso al intentar predecir los cambios sutiles en cómo la pierna se endurecía durante el aplastamiento.

Los investigadores advierten cuidadosamente que este es solo un "estudio preliminar", lo que significa que es un primer vistazo a la idea en lugar de un reglamento final. Solo probaron un tipo de cuchilla y tres formas específicas de espuma. Pero la conclusión principal es emocionante: la forma del pequeño cojín entre la cuchilla y el suelo puede, de hecho, actuar como un dial de ajuste, cambiando cómo se siente y se comporta la prótesis. Esto sugiere que, en el futuro, los corredores podrían intercambiar estos simples insertos de espuma para personalizar su carrera, en lugar de necesitar una pierna nueva para cada condición diferente.

Resumen Técnico: El Efecto de la Forma de la Entresuela en los Pies Protésicos de Carrera

Planteamiento del Problema
Los pies protésicos de carrera (RPF, por sus siglas en inglés) son componentes pasivos de fibra de carbono que almacenan y liberan energía elástica. Aunque los fabricantes asignan categorías de rigidez basadas en la masa corporal del usuario, estas categorías son guías prácticas más que descriptores mecánicos precisos. Se sabe que la respuesta mecánica de un RPF varía según el modelo específico, la altura de la cuchilla, la alineación y la configuración de las pruebas. Actualmente, el ajuste de la respuesta mecánica de un sistema protésico suele requerir el cambio de todo el modelo de RPF, la categoría de rigidez o la alineación, lo cual puede resultar poco práctico y costoso. Aunque la rigidez del calzado influye en la mecánica de carrera de personas con capacidad física normal, la contribución específica de la geometría de la entresuela a la respuesta mecánica de los RPF permanece insuficientemente cuantificada. Este estudio aborda si las inserciones de entresuela intercambiables pueden modificar los descriptores mecánicos de un RPF único sin reemplazar la estructura primaria de fibra de carbono.

Metodología
El estudio empleó un enfoque de dos fases: pruebas experimentales de banco y modelado numérico de elementos finitos (FE).

Configuración Experimental: Se probó un único RPF Ossur Cheetah Xceed CAT 2 (categoría de rigidez para atletas de 63/64 kg) bajo un protocolo de cuasi-estática inspirado en la fase de apoyo medio. El RPF se montó con un ángulo de sujeción de 10°. Se evaluaron cuatro configuraciones distales:
1. Control: RPF con la suela de clavos estándar únicamente (Sin entresuela).
2. M01: RPF con una inserción de entresuela de EVA con forma parabólica.
3. M02: RPF con una inserción de entresuela de EVA con forma de doble flexión.
4. M03: RPF con una inserción de entresuela de EVA con forma lineal.
Todas las inserciones estaban fabricadas con EVA de dureza Shore A 50 y se posicionaron entre el RPF y la suela de clavos constante. La prueba consistió en una compresión vertical cuasi-estática de 110 mm a 0.5 mm/s, con la placa de suelo libre para traslación horizontal con el fin de mantener una fuerza horizontal cercana a cero.
Parámetros de Caracterización: La respuesta mecánica se cuantificó mediante:
- Rigidez equivalente de energía elástica ( $K_{eq}$ ).
- Relación de endurecimiento ($SR$).
- Relación de biaxialidad ($BR$).
- Trayectoria del Centro de Presión (CoP).
Modelado Numérico: Se desarrollaron modelos de elementos finitos (FE) de plano de tensiones bidimensionales en Ansys Workbench para las cuatro configuraciones. La cuchilla del RPF se modeló como un material elástico lineal homogéneo con un módulo de Young isotrópico equivalente (calibrado a 72 GPa contra los datos experimentales del control). La entresuela y las capas de tartán se modelaron utilizando formulaciones hiperelásticas de Yeoh, mientras que la suela fue elástica lineal. Las condiciones de contacto se definieron como rugosas entre la suela y el tartán.

Resultajes Clave

Modulación de la Rigidez: En relación con el control (Sin entresuela), las inserciones parabólica (M01) y de doble flexión (M02) aumentaron la rigidez global ( $K_{eq}$ ) en un 24% y un 28%, respectivamente. Por el contrario, la inserción lineal (M03) redujo la $K_{eq}$ en un 13%.
Endurecimiento y Acoplamiento: Todas las inserciones de la entresuela redujeron la Relación de Endurecimiento ($SR$), lo que indica un cambio en la progresión de la rigidez local durante la compresión. La Relación de Biaxialidad ($BR$), que representa el acoplamiento horizontal-vertical, mostró cambios modestos (aumentos de 2 a 8%).
Centro de Presión (CoP): Las trayectorias del CoP dependieron de la configuración. M01 y M02 exhibieron trayectorias de CoP más posteriores durante la baja compresión, desplazándose hacia la parte anterior a medida que aumentaba la carga. M03 mostró una trayectoria más anterior durante toda la fase de carga, alcanzando los valores positivos de CoP más altos.
Validación del Modelo: Los modelos FE reprodujeron con éxito la dirección de los cambios experimentales en $K_{eq}$ (aumentos para M01/M02, disminución para M03). El error cuadrático medio normalizado (RMSE) para las curvas de fuerza-desplazamiento osciló entre el 0.82% y el 2.18%. Sin embargo, las discrepancias fueron mayores para la Relación de Endurecimiento ($SR$), con diferencias porcentuales que alcanzaron hasta el 17.65% para M01.

Significación y Reivindicaciones
Los autores presentan este trabajo como una prueba de concepto preliminar y exploratoria. El estudio demuestra que la geometría de la entresuela puede influir significativamente en la respuesta de banco de un pie protésico de carrera, alterando específicamente la rigidez global y la progresión de la rigidez durante la compresión. Los hallazgos sugieren que las inserciones de entresuela intercambiables podrían ofrecer un método más sencillo y económico para ajustar la respuesta mecánica de un RPF en comparación con el reemplazo del componente primario de fibra de carbono.

Además, el estudio indica que los modelos de FE simplificados son capaces de respaldar la comparación preliminar de las tendencias de respuesta global (como la $K_{eq}$ ) entre diferentes geometrías de entresuela, aunque son menos precisos al predecir los comportamientos de endurecimiento local ($SR$). Los autores advierten explícitamente que estos resultados están limitados a un único modelo de RPF, una categoría de rigidez y condiciones cuasi-estáticas. Por consiguiente, los hallazgos no deben generalizarse a otros modelos de RPF o condiciones de carrera dinámica sin mayor investigación. El estudio concluye que, si bien la geometría distal afecta las respuestas de banco, se requiere trabajo experimental adicional antes de extraer conclusiones sobre la optimización del rendimiento o la aplicabilidad clínica.

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