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

Camminare è uno scambio ritmico di energia. Con ogni passo, il corpo umano immagazzina energia meccanica quando il piede tocca terra e la rilascia per spingere il passo successivo in avanti. Per le persone che hanno perso un piede o parte di una gamba, le protesi devono replicare questo delicato processo. La soluzione più comune oggi è un piede protesico realizzato con un unico pezzo curvo di materiale composito, che spesso ricorda una foglia. Questa "molla a foglia" si flette sotto il peso del corpo, immagazzinando energia come una molla avvolta, e poi scatta all'indietro per aiutare chi la indossa a muoversi. Sebbene questi dispositivi siano leggeri ed efficaci, presentano un limite fondamentale: poiché si flettono in una sola direzione, lo stress si concentra in una stretta fascia. Questa deformazione localizzata può portare alla fatica del materiale e limita la quantità di energia che il dispositivo può immagazzinare e restituire in sicurezza.

Ricercatori dell'Università della Florida Centrale e della Mississippi State University hanno guardato alla natura per un design migliore. Si sono concentrati sul mantide shrimp (il gambero mantide), un predatore marino noto per i suoi colpi incredibilmente potenti. L'appendice a forma di clava del gambero è rinforzata da una struttura a forma di sella che è curva in due direzioni contemporaneamente. Questa geometria "a doppia curvatura" permette al guscio di distribuire le forze su tutta la sua superficie anziché concentrarle in un unico punto. Ispirati da questa efficienza biologica, il team si è posto l'obiettivo di vedere se un piede protesico costruito con una forma a doppia curvatura simile potesse superare la tradizionale molla a foglia a curvatura singola. Il loro obiettivo non era solo creare un piede che si flettesse, ma uno che immagazzinasse più energia, durasse più a lungo e si muovesse più come una vera caviglia umana.

Per testare questa idea, il team ha creato due modelli virtuali di piedi protesici: uno utilizzando il design standard a foglia a curvatura singola e un altro utilizzando una nuova forma a sella bioispirata. Hanno accuratamente regolato i materiali e le dimensioni di entrambi i modelli affinché risultassero ugualmente rigidi per un utente, garantendo un confronto equo. Utilizzando potenti simulazioni al computer, hanno applicato le stesse forze esercitate da una persona durante la camminata, specificamente la pressione che si verifica quando il piede rotola in avanti e la caviglia si flette verso l'alto. Hanno poi misurato quanta energia ciascun design potesse immagazzinare e come venivano distribuiti gli stress interni attraverso il materiale.

I risultati hanno rivelato un chiaro vantaggio per il design a doppia curvatura. Quando entrambe le molle sono state flesse allo stesso angolo, la molla a forma di sella ha immagazzinato significativamente più energia rispetto alla tradizionale molla a foglia. Nello specifico, nell'intervallo di movimento utilizzato durante la normale camminata, il design a sella ha trattenuto fino al 16 percento di energia di deformazione in più. Ancora più impressionante è stata l'efficienza del materiale stesso. I ricercatori hanno scoperto che la molla a sella ha impacchettato circa tre volte più energia in ogni unità del suo volume rispetto alla molla a foglia. Ciò significa che, per la stessa quantità di materiale, il nuovo design può compiere molto più lavoro, o viceversa, può ottenere le stesse prestazioni con meno materiale, rendendo la protesi più leggera.

Oltre allo stoccaggio dell'energia pura, lo studio ha evidenziato una differenza critica nel modo in cui i due tipi di forma gestiscono lo stress. Nella tradizionale molla a foglia, la forza della flessione crea una netta concentrazione di stress al centro della curva, un punto debole dove le crepe tendono a originarsi nel tempo. Al contrario, la molla a sella ha distribuito lo stress in modo molto più uniforme su tutta la sua superficie. Questa distribuzione uniforme suggerisce che il nuovo design sarebbe molto più resistente all'usura ripetitiva della camminata quotidiana, potenzialmente durando più a lungo e offrendo maggiore affidabilità all'utente. La doppia curvatura ha inoltre permesso alla struttura di irrigidirsi naturalmente mentre si fletteva, un comportamento che imita da vicino il modo in cui una caviglia biologica diventa più rigida durante la spinta dal terreno, fornendo un'esperienza di camminata più naturale.

I ricercatori hanno validato i loro modelli al computer confrontandoli con test del mondo reale sulla molla a foglia tradizionale, confermando che le loro simulazioni erano accurate. Sebbene il design della molla a sella non sia ancora stato costruito e testato su un essere umano, le simulazioni forniscono una forte evidenza del fatto che questa geometria bioispirata offre una soluzione meccanica superiore. Sfruttando le proprietà uniche di una superficie a doppia curvatura, questo nuovo approccio potrebbe portare alla prossima generazione di piedi protesici che siano non solo più leggeri e più efficienti dal punto di vista energetico, ma anche più durevoli e più vicini alla funzione naturale del corpo umano.