Energy Storage Characteristics of Leaf and Bioinspired Saddle Shaped Springs for Ankle–Foot Prostheses

Caminar es un intercambio rítmico de energía. Con cada paso, el cuerpo humano almacena energía mecánica cuando el pie aterriza y la libera para impulsar el siguiente paso hacia adelante. Para las personas que han perdido un pie o parte de una pierna, las extremidades artificiales deben replicar este delicado proceso. La solución más común hoy en día es un pie protésico hecho de una única pieza curva de material compuesto, que a menudo se asemeja a una hoja. Este "resorte de hoja" se dobla bajo el peso del cuerpo, almacenando energía como un resorte enrollado, y luego regresa bruscamente para ayudar al usuario a moverse. Si bien estos dispositivos son ligeros y efectivos, tienen una limitación fundamental: debido a que se doblan en una sola dirección, el estrés se concentra en una banda estrecha. Esta deformación localizada puede provocar fatiga del material y limita cuánta energía puede almacenar y devolver el dispositivo de forma segura.

Investigadores de la Universidad de Florida Central y la Universidad Estatal de Mississippi han buscado en la naturaleza un mejor diseño. Dirigieron su atención al camarón mantis, un depredador marino conocido por sus golpes increíblemente potentes. El apéndice en forma de maza del camarón está reforzado por una estructura en forma de silla de montar que está curvada en dos direcciones a la vez. Esta geometría de "doble curvatura" permite que el caparazón distribuya las fuerzas a través de toda su superficie en lugar de enfocarlas en un solo punto. Inspirados en esta eficiencia biológica, el equipo se propuso ver si un pie protésico construido con una forma de silla de montar de doble curvatura similar podría superar al tradicional resorte de hoja de una sola curvatura. Su objetivo no era solo hacer un pie que se doblara, sino uno que almacenara más energía, durara más y se moviera más como un tobillo humano real.

Para probar esta idea, el equipo creó dos modelos virtuales de pies protésicos: uno que utilizaba el diseño estándar de resorte de hoja de una sola curvatura y otro que utilizaba una nueva forma de silla de montar bioinspirada. Ajustaron cuidadosamente los materiales y las dimensiones de ambos modelos para que se sintieran igualmente rígidos para un usuario, asegurando una comparación justa. Utilizando potentes simulaciones por computadora, aplicaron las mismas fuerzas que una persona ejerce al caminar, específicamente la presión que ocurre cuando el pie rueda hacia adelante y el tobillo se dobla hacia arriba. Luego midieron cuánta energía podía almacenar cada diseño y cómo se distribuían los esfuerzos internos a través del material.

Los resultados revelaron una clara ventaja para el diseño de doble curvatura. Cuando ambos resortes se doblaron al mismo ángulo, el resorte con forma de silla de montar almacenó significamente más energía que el tradicional resorte de hoja. Específicamente, dentro del rango de movimiento utilizado durante la marcha normal, el diseño de silla de montar contuvo hasta un 16 por ciento más de energía de deformación. Aún más impresionante fue la eficiencia del material mismo. Los investigadores encontraron que el resorte de silla de montar empaquetó aproximadamente tres veces más energía en cada unidad de su volumen en comparación con el resorte de hoja. Esto significa que, con la misma cantidad de material, el nuevo diseño podría realizar mucho más trabajo o, por el contrario, podría lograr el mismo rendimiento con menos material, haciendo la prótesis más ligera.

Más allá del almacenamiento de energía bruta, el estudio destacó una diferencia crítica en cómo las dos formas manejan el estrés. En el tradicional resorte de hoja, la fuerza de la flexión crea una concentración aguda de estrés en el medio de la curva, un punto débil donde es probable que comicien las grietas con el tiempo. En contraste, el resorte de silla de montar distribuyó el estrés de manera mucho más uniforme a través de toda su superficie. Esta distribución uniforme sugiere que el nuevo diseño sería mucho más resistente al desgaste repetitivo de la caminata diaria, ofreciendo potencialmente mayor durabilidad y una mayor fiabilidad para el usuario. La doble curvatura también permitió que la estructura se rigidizara naturalmente a medida que se doblaba, un comportamiento que imita de cerca la forma en que un tobillo biológico se vuelve más rígido al impulsarse contra el suelo, proporcionando una experiencia de marcha más natural.

Los investigadores validaron sus modelos computacionales mediante pruebas del mundo real del resorte de hoja tradicional, confirmando que sus simulaciones eran precisas. Si bien el diseño del resorte de silla de montar aún no ha sido construido ni probado en un sujeto humano, las simulaciones proporcionan una evidencia sólida de que esta geometría bioinspirada ofrece una solución mecánica superior. Al aprovechar las propiedades únicas de una superficie de doble curvatura, este nuevo enfoque podría conducir a la próxima generación de pies protésicos que no solo sean más ligeros y eficientes energéticamente, sino también más duraderos y más cercanos a la función natural del cuerpo humano.