A Sensorised Lattice Footplate for a Semi-Active Prosthetic Foot

Resumo Técnico: Uma Placa de Pé com Treliça Sensibilizada para um Pé Protético Semi-Ativo

Definição do Problema
Os pés protéticos atuais para membros inferiores enfrentam um compromisso entre adaptabilidade e praticidade. Pés de armazenamento e retorno de energia (ESR) passivos são robustos e acessíveis, mas carecem da capacidade de modular a rigidez e o amortecimento de acordo com a fase da marcha, velocidade ou terreno, o que pode levar a estratégias de marcha compensatórias e aumento da carga no membro intacto. Por outro lado, tornozelos ativos motorizados oferecem uma supervisão biológica superior, mas introduzem massa, custo e complexidade significativos devido a motores, baterias e sistemas de controle. Além disso, as soluções adaptativas existentes frequentemente dependem de mecanismos especializados ou camadas de sensoriamento externas (ex: palmilhas) que são separadas da estrutura de suporte de carga, limitando a compacidade e a integração. Há uma necessidade de uma solução semi-ativa de baixo custo que integre o sensoriamento diretamente no elemento complacente para permitir a regulação do amortecimento sem o ônus da geração de potência ativa.

Metodologia
Os autores propõem e caracterizam um protótipo integrado que combina três componentes principais:

1. Placa de Pé em Treliça 3D Sensibilizada: Em vez de uma mola de fibra de carbono monolítica, a placa do pé é uma treliça de tipo Body-Centred Cubic (BCC) impressa em PEBA. Ela incorpora ímãs permanentes dentro de bolsos predefinidos e uma PCB de magnetômetro abaixo da treliça. Este design utiliza sensoriamento tátil magnético (inspirado no eFlesh) para estimar as forças de contato plantar e as distribuições de carga com base nas mudanças de campo magnético induzidas pela deformação. Um Perceptron Multicamadas (MLP) processa vetores de entrada magnética de 15 dimensões para regredir as estimativas de força.
2. Amortecedor Hidráulico Ajustável por Servo: Um mecanismo de tornozelo articulado acopla um amortecedor hidráulico a uma transmissão de engrenagem acionada por servo. O servo ajusta a abertura da válvula do amortecedor, modulando o coeficiente de amortecimento ($b$) para regular a resistência do tornozelo durante a fase de apoio. A relação entre o ângulo do servo e o coeficiente de amortecimento foi caracterizada experimentalmente e ajustada a um modelo exponencial.
3. Modelo Dinâmico de Ordem Reduzida: Um modelo de ligação no plano sagital foi desenvolvido para simular a dinâmica rotacional do tornozelo, incorporando o amortecedor variável e uma mola de retorno. Este modelo foi utilizado para avaliar a capacidade do sistema de rastrear trajetórias biológicas do tornozelo sob um cronograma de amortecimento feedforward.

O processo de validação envolveu três estágios: (1) caracterização mecânica e de sensoriamento da treliça sob compressão controlada; (2) ensaios de postura estática sob carga de peso corporal para verificar a capacidade do pipeline de sensoriamento de ponta a ponta de distinguir configurações de apoio; e (3) simulação da resposta da fase de apoio contra uma trajetória de referência da literatura.

Principuições Principais

• Arquitetura de Sensoriamento Integrada: O artigo demonstra a incorporação do sensoriamento plantar magnético diretamente no elemento complacente de suporte de carga da placa do pé, eliminando a necessidade de uma camada de sensoriamento de palmilha externa separada.
• Modelagem e Caracterização de Ordem Reduzida: Fornece um framework acoplado de um modelo de tornozelo articulado de ordem reduzida e dinâmica de amortecedor caracterizada experimentalmente, permitindo a simulação do mecanismo semi-ativo proposto.
• Validação do Protótipo: O trabalho apresenta um protótipo funcional que consegue ajustar a rigidez da treliça via geometria da célula unitária, estima a força com alta fidelidade sob carregamento cíclico e separa assinaturas de carregamento do antepé e retropé através de quatro configurações de postura estática.

Resultos

• Desempenho da Treliça e do Sensoriamento: Testes mecânicos confirmaram que a rigidez da placa do pé é ajustável via tamanho da célula unitária. Sob compressão cíclica, o sensor embutido rastreou a força de referência de uma máquina de ensaio universal com um Erro Quadrático Médio (RMSE) de 32,14 N (4,59% da escala total), validando que a estimativa de força é viável dentro da estrutura de suporte de carga.
• Classificação de Postura Estática: Em ensaios simulando o toque do calcanhar (heel-strike), posição de pé plano (foot-flat), dorsiflexão e desprendimento do antepé (toe-off) sob aproximadamente o peso corporal, o sistema produziu distribuições de força de antepé e retropé linearmente separáveis. Um classificador baseado em regras identificou corretamente todas as quatro posturas impostas, confirmando a capacidade do pipeline de sensoriamento de distinguir padrões de carregamento.
• Simulação da Resposta de Apoio: A simulação de ordem reduzida, impulsionada por um cronograma de amortecimento feedforward, reproduziu com sucesso a tendência de dorsiflexão de uma trajetória de referência do tornozelo biológico durante o início ao meio da fase de apoio. No entanto, como esperado para um sistema puramente dissipativo, a simulação não conseguiu gerar o impulso ativo (push-off) observado nos tornozelos biológicos durante a fase final do apoio, causando a divergência da trajetória em relação à referência.

Significância e Alegações
O artigo afirma demonstrar que o sensoriamento plantar magnético pode ser incorporado com sucesso dentro do elemento complacente de suporte de carga de um pé protético de baixo custo e que a leitura de força resultante é suficientemente informativa para suportar uma estratégia preliminar de amortecimento semi-ativo. Os autores posicionam este trabalho como uma prova de conceito para uma plataforma de pesquisa compacta que integra suporte de carga, amortecimento ajustável e sensoriamento plantar.

Os autores mantêm uma postura modesta em relação às limitações atuais:

• O desempenho do sensoriamento foi avaliado apenas sob carregamento vertical controlado; os efeitos de forças de cisalhamento, contato irregular e histerese do material permanecem não quantificados.
• O classificador de postura estática não foi validado para transições dinâmicas de fase de marcha.
• A incapacidade de gerar impulso ativo é identificada como uma limitação fundamental da arquitetura semi-ativa (dissipativa) e não como uma falha do protótipo.

O estudo conclui que, embora o protótipo ainda não seja um produto clinicamente implantável (devido à falta de certificação e testes de durabilidade), ele estabelece um pareamento de sensoriamento-atuação viável para pesquisas futuras sobre a modulação de amortecimento do tornozelo dependente da marcha. O custo estimado do protótipo ($200) é significativamente inferior aos alternativos comerciais, embora os autores notem que esta comparação é feita entre um dispositivo de pesquisa não certificado e produtos clínicos certificados.