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

La marche est un échange rythmique d'énergie. À chaque pas, le corps humain stocke de l'énergie mécanique lorsque le pied se pose et la libère pour propulser le pas suivant. Pour les personnes ayant perdu un pied ou une partie de la jambe, les membres artificiels doivent reproduire ce processus délicat. La solution la plus courante aujourd'hui est un pied prothétique fabriqué à partir d'une pièce unique et courbe de matériau composite, ressemblant souvent à une feuille. Ce « ressort de feuille » se courbe sous le poids du corps, stockant l'énergie comme un ressort enroulé, puis revient brusquement pour aider l'utilisateur à avancer. Bien que ces dispositifs soient légers et efficaces, ils présentent une limitation fondamentale : parce qu'ils se courbent dans une seule direction, la contrainte se concentre dans une bande étroite. Cette déformation localisée peut entraîner une fatigue du matériau et limite la quantité d'énergie que le dispositif peut stocker et restituer en toute sécurité.

Des chercheurs de l'Université de la Floride centrale et de l'Université d'État du Mississippi ont regardé la nature pour trouver un meilleur design. Ils ont porté leur attention sur la crevette mantis, un prédateur marin connu pour ses frappes incroyablement puissantes. L'appendice en forme de massue de la crevette est renforcé par une structure en forme de selle qui est courbée dans deux directions à la fois. Cette géométrie « à double courbure » permet à la carapace de distribuer les forces sur toute sa surface plutôt que de les concentrer en un seul point. Inspirés par cette efficacité biologique, l'équipe s'est donné pour objectif de voir si un pied prothétique construit avec une forme de selle similaire à double courbure pourrait surpasser le traditionnel ressort de feuille à courbure simple. Leur but n'était pas seulement de fabriquer un pied qui se courbe, mais un pied qui stocke plus d'énergie, dure plus longtemps et se déplace davantage comme une véritable cheville humaine.

Pour tester cette idée, l'équipe a créé deux modèles virtuels de pieds prothétiques : l'un utilisant le design standard de ressort de feuille à courbure simple et l'autre utilisant une nouvelle forme de selle bioinspirée. Ils ont soigneusement ajusté les matériaux et les dimensions des deux modèles afin qu'ils paraissent également rigides pour un utilisateur, garantissant ainsi une comparaison équitable. À l'aide de puissantes simulations informatiques, ils ont appliqué les mêmes forces qu'une personne exerce en marchant, spécifiquement la pression qui se produit lorsque le pied roule vers l'avant et que la cheville se plie vers le haut. Ils ont ensuite mesuré la quantité d'énergie que chaque design pouvait stocker et comment les contraintes internes étaient réparties dans le matériau.

Les résultats ont révélé un avantage clair pour la conception à double courbure. Lorsque les deux ressorts étaient courbés selon le même angle, le ressort en forme de selle stockait nettement plus d'énergie que le ressort de feuille traditionnel. Plus précisément, dans la plage de mouvement utilisée lors d'une marche normale, la conception en selle a retenu jusqu'à 16 % d'énergie de déformation supplémentaire. Plus impressionnant encore était l'efficacité du matériau lui-même. Les chercheurs ont découvert que le ressort en selle emballait environ trois fois plus d'énergie dans chaque unité de son volume par rapport au ressort de feuille. Cela signifie que pour la même quantité de matériau, le nouveau design peut accomplir beaucoup plus de travail, ou inversement, il peut atteindre la même performance avec moins de matériau, rendant la prothèse plus légère.

Au-delà du stockage brut d'énergie, l'étude a mis en évidence une différence critique dans la manière dont les deux formes gèrent la contrainte. Dans le ressort de feuille traditionnel, la force de flexion crée une concentration de contrainte aiguë au milieu de la courbe, un point faible où des fissures sont susceptibles de se former avec le temps. En revanche, le ressort en selle a distribué la contrainte de manière beaucoup plus uniforme sur toute sa surface. Cette distribution uniforme suggère que le nouveau design serait bien plus résistant à l'usure répétitive de la marche quotidienne, offrant potentiellement une plus grande longévité et une meilleure fiabilité pour l'utilisateur. La double courbure permettait également à la structure de se rigidifier naturellement lorsqu'elle se courbait, un comportement qui imite étroitement la façon dont une cheville biologique devient plus rigide lorsqu'elle pousse sur le sol, offrant une expérience de marche plus naturelle.

Les chercheurs ont validé leurs modèles informatiques par rapport à des tests réels du ressort de feuille traditionnel, confirmant que leurs simulations étaient précises. Bien que le design du ressort en selle n'ait pas encore été construit et testé sur un sujet humain, les simulations fournissent des preuves solides que cette géométrie bioinspirée offre une solution mécanique supérieure. En exploitant les propriétés uniques d'une surface à double courbure, cette nouvelle approche pourrait mener à la prochaine génération de pieds prothétiques qui soient non seulement plus légers et plus économes en énergie, mais aussi plus durables et plus proches de la fonction naturelle du corps humain.