A Sensorised Lattice Footplate for a Semi-Active Prosthetic Foot

Sintesi Tecnica: Un Piattale per Protesi di Piede a Reticolo Sensorializzato

Definizione del Problema
Le attuali protesi di piede affrontano un compromesso tra adattabilità e praticità. I piedi passivi a restituzione di energia (ESR) sono robusti ed economici, ma mancano della capacità di modulare rigidezza e smorzamento in base alla fase del passo, alla velocità o al terreno, il che può portare a strategie di deambulazione compensatorie e a un aumento del carico sull'arto intatto. Al contrario, le caviglie attive motorizzate offrono una superiore mimesi biologica, ma introducono massa, costi e complessità significativi a causa di motori, batterie e sistemi di controllo. Inoltre, le soluzioni adattive esistenti spesso si affidano a meccanismi specializzati o strati di sensing esterni (ad esempio, solette), che sono separati dalla struttura portante, limitando compattezza e integrazione. È necessaria una soluzione semi-attiva a basso costo che integri la sensoristica direttamente nell'elemento compliante per consentire la regolazione dello smorzamento senza l'onere della generazione di potenza attiva.

Metodologia
Gli autori propongono e caratterizzano un prototipo integrato che combina tre componenti fondamentali:

1. Piattale a Reticolo 3D Sensorializzato: Invece di una molla monolitica in fibra di carbonio, il piattale è un reticolo Body-Centred Cubic (BCC) stampato in PEBA. Esso incorpora magneti permanenti all'interno di tasche predefinite e un PCB per magnetometri sotto il reticolo. Questo design utilizza la sensoristica tattile magnetica (ispirata a eFlesh) per stimare le forze di contatto plantare e le distribuzioni di carico basandosi sulle variazioni del campo magnetico indotte dalla deformazione. Un Perceptron Multistrato (MLP) elabora vettori di input magnetico a 15 dimensioni per la regressione delle stime di forza.
2. Smorzatore Idraulico Regolabile tramite Servo: Un meccanismo di caviglia articolato accoppia uno smorzatore idraulico a una trasmissione a ingranaggi controllata da un servomotore. Il servo regola l'apertura della valvola dello smorzatore, modulando il coefficiente di smorzamento ($b$) per regolare la resistenza della caviglia durante la fase di appoggio. La relazione tra l'angolo del servo e il coefficiente di smorzamento è stata caratterizzata sperimentalmente e adattata a un modello esponenziale.
3. Modello Dinamico a Ordine Ridotto: È stato sviluppato un modello a linkage nel piano sagittale per simulare la dinamica rotazionale della caviglia, incorporando lo smorzatore variabile e una molla di ritorno. Questo modello è stato utilizzato per valutare la capacità del sistema di seguire le traiettorie biologiche della caviglia sotto uno schema di smorzamento feedforward.

Il processo di validazione ha previsto tre fasi: (1) caratterizzazione meccanica e di sensoristica del reticolo sotto compressione controllata; (2) prove di postura statica sotto carico del peso corporeo per verificare la capacità della pipeline di sensing end-to-end di distinguere le configurazioni di appoggio; (3) simulazione della risposta della fase di appoggio rispetto a una traiettoria di riferimento della letteratura.

Contributi Chiave

• Architettura di Sensing Integrata: Il documento dimostra l'integrazione della sensoristica plantare magnetica direttamente nell'elemento portante compliante di una protesi di piede, eliminando la necessità di uno strato di sensing esterno separato come la soletta.
• Modellazione e Caratterizzazione a Ordine Ridotto: Fornisce un framework accoppiato di un modello di caviglia articolata a ordine ridotto e della dinamica dello smorzatore caratterizzata sperimentalmente, consentendo la simulazione del proposto meccanismo semi-attivo.
• Validazione del Prototipo: Il lavoro presenta un prototipo funzionale che riesce a regolare la rigidezza del reticolo tramite la geometria della cella unitaria, stima la forza con alta fedeltà sotto carico ciclico e separa le firme di carico tra avampiede e tallone attraverso quattro configurazioni di appoggio statico.

Risultati

• Prestazioni del Reticolo e della Sensoristica: I test meccanici hanno confermato che la rigidezza del piattale è modulabile tramite la dimensione della cella unitaria. Sotto compressione ciclica, il sensore integrato ha seguito la forza di riferimento di una macchina di prova universale con un Errore Quadratico Medio (RMSE) di 32,14 N (4,59% del fondo scala), validando la fattibilità della stima della forza all'interno della struttura portante.
• Classificazione della Postura Statica: Nei test che simulavano l'impatto del tallone, l'appoggio completo, la dorsiflessione e la spinta delle dita sotto un carico di circa il peso corporeo, il sistema ha prodotto distribuzioni di forza dell'avampiede e del tallone linearmente separabili. Un classificatore basato su regole ha identificato correttamente tutte e quattro le posture imposte, confermando la capacità della pipeline di sensing di distinguere i pattern di carico.
• Simulazione della Risposta in Appoggio: La simulazione a ordine ridotto, guidata da uno schema di smorzamento feedforward, ha riprodotto con successo la tendenza alla dorsiflessione di una traiettoria di riferimento della caviglia biologica durante la fase iniziale-media dell'appoggio. Tuttavia, come previsto per un sistema puramente dissipativo, la simulazione non è stata in grado di generare la spinta attiva (push-off) osservata nelle caviglie biologiche durante la fase tardiva, causando la divergenza della traiettoria rispetto al riferimento.

Significatività e Dichiarazioni
Il documento sostiene di aver dimostrato che la sensoristica plantare magnetica può essere integrata con successo all'interno dell'elemento compliante portante di una protesi di piede a basso costo e che la lettura della forza risultante è sufficientemente informativa per supportare una preliminare strategia di smorzamento semi-attivo. Gli autori posizionano questo lavoro come una prova di concetto per una piattaforma di ricerca compatta che integra supporto portante, smorzamento regolabile e sensoristica plantare.

Gli autori mantengono una posizione modesta riguardo alle attuali limitazioni:

• Le prestazioni della sensoristica sono state valutate solo sotto carico verticale controllato; gli effetti delle forze di taglio, del contatto irregolare e dell'isteresi del materiale rimangono non quantificati.
• Il classificatore della postura statica non è stato validato per le transizioni dinamiche della fase di deambulazione.
• L'incapacità di generare una spinta attiva è identificata come un limite fondamentale dell'architettura semi-attiva (dissipativa) piuttosto che un difetto del prototipo.

Lo studio conclude che, sebbene il prototipo non sia ancora un prodotto clinicamente utilizzabile (a causa della mancanza di certificazione e test di durata), esso stabilisce un accoppiamento efficace tra sensoristica e attuazione per la ricerca futura sulla modulazione dello smorzamento della caviglia dipendente dal passo. Il costo stimato del prototipo ($200) è significativamente inferiore alle alternative commerciali, sebbene gli autori notino che questo confronto avviene tra un dispositivo di ricerca non certificato e prodotti clinici certificati.