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

Caminhar é uma troca rítmica de energia. A cada passo, o corpo humano armazena energia mecânica quando o pé toca o solo e a libera para impulsionar o próximo passo à frente. Para pessoas que perderam um pé ou parte da perna, as próteses devem replicar esse processo delicado. A solução mais comum hoje é um pé protético feito de uma peça única e curva de material composto, frequentemente assemelhando-se a uma folha. Esta "mola de folha" dobra-se sob o peso do corpo, armazenando energia como uma mola de compressão, e então retorna bruscamente para ajudar o usuário a se mover. Embora esses dispositivos sejam leves e eficazes, eles possuem uma limitação fundamental: por dobrarem em apenas uma direção, o estresse se concentra em uma faixa estreita. Essa deformação localizada pode levar à fadiga do material e limita o quanto de energia o dispositivo pode armazenar e retornar com segurança.

Pesquisadores da Universidade de Central Flórida e da Universidade Estadual do Mississippi buscaram na natureza um design melhor. Eles voltaram sua atenção para o camarão-mantis, um predador marinho conhecido por seus golpes incrivelmente poderosos. O apêndice em forma de clava do camarão é reforçado por uma estrutura em forma de sela, que é curva em duas direções ao mesmo tempo. Essa geometria de "curvatura dupla" permite que a carapaça distribua as forças por toda a sua superfície, em vez de focá-las em um único ponto. Inspirados por essa eficiência biológica, a equipe estabeleceu o objetivo de verificar se um pé protético construído com um formato de sela de curvatura dupla semelhante poderia superar a tradicional mola de folha de curvatura única. O objetivo deles não era apenas criar um pé que dobrasse, mas um que armazenasse mais energia, durasse mais e se movesse mais como um tornozelo humano real.

Para testar essa ideia, a equipe criou dois modelos virtuais de pés protéticos: um utilizando o design padrão de folha de curvatura única e outro utilizando um novo formato de sela bioinspirado. Eles ajustaram cuidadosamente os materiais e as dimensões de ambos os modelos para que parecessem igualmente rígidos para um usuário, garantindo uma comparação justa. Usando simulações computacionais poderosas, aplicaram as mesmas forças que uma pessoa exerce ao caminhar, especificamente a pressão que ocorre quando o pé rola para frente e o tornozelo dobra para cima. Em seguida, mediram quanta energia cada design poderia armazenar e como as tensões internas eram distribuídas pelo material.

Os resultados revelaram uma vantagem clara para o design de curvatura dupla. Quando ambas as molas foram dobradas para o mesmo ângulo, a mola em forma de sela armazenou significativamente mais energia do que a mola de folha tradicional. Especificamente, dentro da amplitude de movimento usada durante a caminhada normal, o design de sela reteve até 16 por cento mais energia de deformação. Ainda mais impressionante foi a eficiência do próprio material. Os pesquisadores descobriram que a mola de sela concentrou aproximadamente três vezes mais energia em cada unidade de seu volume em comparação com a mola de folha. Isso significa que, para a mesma quantidade de material, o novo design poderia realizar muito mais trabalho ou, inversamente, poderia alcançar o mesmo desempenho com menos material, tornando a prótese mais leve.

Além do armazenamento bruto de energia, o estudo destacou uma diferença crítica na forma como os dois formatos lidam com o estresse. Na mola de folha tradicional, a força da flexão cria uma concentração aguda de estresse no meio da curva, um ponto fraco onde rachaduras tendem a começar com o tempo. Em contraste, a mola de sela distribuiu o estresse de forma muito mais uniforme por toda a sua superfície. Essa distribuição uniforme sugere que o novo design seria muito mais resistente ao desgaste repetitivo da caminhada diária, potencialmente durando mais e oferecendo maior confiabilidade para o usuário. A dupla curvatura também permitiu que a estrutura se tornasse naturalmente mais rígida conforme dobrava, um comportamento que imita de perto a maneira como um tornozelo biológico se torna mais rígido ao impulsionar o corpo contra o chão, proporcionando uma experiência de caminhada mais natural.

Os pesquisadores validaram seus modelos computacionais através de testes do mundo real com a mola de folha tradicional, confirmando que suas simulações eram precisas. Embora o design da mola de sela ainda não tenha sido construído e testado em um ser humano, as simulações fornecem evidências sólidas de que esta geometria bioinspirada oferece uma solução mecânica superior. Ao aproveitar as propriedades únicas de uma superfície de curvatura dupla, essa nova abordagem pode levar à próxima geração de pés protéticos que são não apenas mais leves e eficientes em termos de energia, mas também mais duráveis e mais próximos da função natural do corpo humano.