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

Wandelen is een ritmische uitwisseling van energie. Met elke stap slaat het menselijk lichaam mechanische energie op wanneer de voet landt en geeft deze weer vrij om de volgende stap vooruit te duwen. Voor mensen die een voet of een deel van een been hebben verloren, moeten kunstmatige ledematen dit delicate proces nabootsen. De meest voorkomende oplossing van vandaag is een prothetische voet gemaakt van een enkel, gebogen stuk composietmateriaal, dat vaak op een blad lijkt. Deze "bladveer" buigt onder het gewicht van het lichaam, slaat energie op zoals een spiraalveer, en veert vervolgens terug om de drager te helpen bewegen. Hoewel deze apparaten lichtgewicht en effectief zijn, hebben ze een fundamentele beperking: omdat ze slechts in één richting buigen, concentreert de spanning zich in een smalle band. Deze gelokaliseerde rek kan leiden tot materiaalmoeheid en beperkt hoeveel energie het apparaat veilig kan opslaan en teruggeven.

Onderzoekers aan de University of Central Florida en Mississippi State University hebben de natuur geraadpleegd voor een beter ontwerp. Ze richtten hun aandacht op de mantiss shrimp (pistoolgarnaal), een mariene predator die bekend staat om zijn ongelooflijk krachtige slagen. Het clubvormige aanhangsel van de garnaal wordt versterkt door een zadelvormige structuur die in twee richtingen tegelijk is gebogen. Deze "dubbel gebogen" geometrie zorgt ervoor dat de schelp de krachten over het gehele oppervlak verdeelt in plaats van ze op één punt te concentreren. Geïnspireerd door deze biologische efficiëntie, stelde het team zich ten doel om te zien of een prothetische voet met een vergelijkbare dubbel gebogen vorm de traditionele enkel gebogen bladveer zou kunnen overtreffen. Hun doel was niet alleen om een voet te maken die buigt, maar een die meer energie opslaat, langer meegaat en meer beweegt als een echt menselijk enkelgewricht.

Om dit idee te testen, creëerde het team twee virtuele modellen van prothetische voeten: één met het standaard enkel gebogen bladontwerp en een andere met een nieuw, bio-geïnspireerd zadelvormig ontwerp. Ze pasten de materialen en afmetingen van beide modellen zorgvuldig aan, zodat ze even stijf zouden aanvoelen voor een gebruiker, om een eerlijke vergelijking te garanderen. Met behulp van krachtige computersimulaties pasten ze dezelfde krachten toe die een persoon uitoefent tijdens het wandelen, specifelijk de druk die optreedt wanneer de voet naar voren rolt en de enkel omhoog buigt. Vervolgens maten ze hoeveel energie elk ontwerp kon opslaan en hoe de interne spanningen door het materiaal werden verdeeld.

De resultaten toonden een duidelijk voordeel voor het dubbel gebogen ontwerp. Wanneer beide veren tot dezelfde hoek werden gebogen, sloeg de zadelvormige veer aanzienlijk meer energie op dan de traditionele bladveer. Specifiek, binnen het bewegingsbereik dat bij normaal wandelen wordt gebruikt, hield het zadelontwerp tot 16 procent meer rekenergie vast. Nog indrukwekkender was de efficiëntie van het materiaal zelf. De onderzoekers ontdekten dat de zadelveer ongeveer drie keer meer energie in elke eenheid van zijn volume verpakte vergeleken met de bladveer. Dit betekent dat het nieuwe ontwerp met dezelfde hoeveelheid materiaal veel meer werk kan verrichten, of omgekeerd, dat het met minder materiaal dezelfde prestaties kan bereiken, waardoor de prothese lichter wordt.

Naast pure energieopslag benadrukte de studie een cruciaal verschil in hoe de twee vormen met spanning omgaan. Bij de traditionele bladveer creëert de buigkracht een scherpe concentratie van spanning in het midden van de curve, een zwak punt waar na verloop van tijd scheuren waarschijnlijk zullen ontstaan. In contrast hiermee verdeelde de zadelveer de spanning veel gelijkmatiger over het gehele oppervlak. Deze uniforme verdeling sugg으로ert dat het nieuwe ontwerp veel beter bestand zal zijn tegen de herhaalde slijtage van het dagelijks wandelen, wat potentieel langer meegaat en een grotere betrouwbaarheid biedt voor de gebruiker. De dubbele kromming zorgde er ook voor dat de structuur van nature verstijfde terwijl deze boog, een gedrag dat nauw de manier nabootst waarop een biologische enkel stijver wordt wanneer deze zich van de grond afzet, wat zorgt voor een natuurlijkere loopervaring.

De onderzoekers valideerden hun computermodellen aan de hand van praktijktesten van de traditionele bladveer, waarmee ze bevestigden dat hun simulaties accuraat waren. Hoewel het zadelvormige ontwerp nog niet is gebouwd en getest op een menselijk subject, bieden de simulaties sterk bewijs dat deze bio-geïnspireerde geometrie een superieure mechanische oplossing biedt. Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van een dubbel gebogen oppervlak, zou deze nieuwe aanpak kunnen leiden tot de volgende generatie prothetische voeten die niet alleen lichter en energie-efficiënter zijn, maar ook duurzamer en dichter bij de natuurlijke functie van het menselijk lichaam liggen.