Opbygning af en bedre gangart

En prototype af en enkeltdelt, billig fodprotese lavet af nylon. Høflighed af forskerne

Avanceret protetik tilbyder amputerede en bred vifte af bioniske muligheder. Men de kan koste titusindvis af dollars, hvilket gør dem uopnåelige for mange.

Nu har MIT-ingeniører udviklet en enkel, lavpris, kunstig fod, der kan tilpasses, der, selvom den ikke har nogen elektronik eller bevægelige dele, giver en gangart, der ligner en arbejdsdygtig persons. Forskerne vurderer, at protesen, hvis den fremstilles i stor skala, kan koste en størrelsesorden mindre end eksisterende produkter.

I 2012, kort efter at Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, sluttede sig til det maskintekniske fakultet, blev han kontaktet af producenten af ​​kunstige lemmer Jaipur Foot, som hvert år donerer tusindvis af sine fodproteser til brugere i Indien og andre steder. De har lavet denne fod i over 40 år, og den er robust, så landmændene kan bruge den barfodet udendørs, og den er relativt naturtro, siger Winter. Men det er ret tungt, og den indvendige struktur er lavet helt i hånden, hvilket skaber en stor variation i produktkvaliteten. Jaipur Foot bad Winter om at designe en bedre, lettere fod, der kunne masseproduceres til lave omkostninger.

Ved at gentænke det typiske foddesign indså Winters team, ledet af Kathryn Olesnavage '12, SM '14, PhD '18, at amputerede, der har mistet et lem under knæet, ikke kan mærke, hvad en fodprotese gør. For en bruger er foden ligesom en sort boks, siger Winter. Det er ikke forbundet med deres nervesystem, og de interagerer ikke tæt med foden.

Så i stedet for at forsøge at kopiere bevægelserne fra en rask fod, fokuserede de på underbenets bevægelser.

Efter at have udviklet en matematisk model, der beskriver protesens stivhed, mulige bevægelse og form, tilsluttede de data om jordreaktionskræfter indsamlet fra raske vandrere, som de kunne opsummere for at forudsige, hvordan en brugers underben ville bevæge sig gennem et enkelt trin. Derefter indstillede de stivheden og geometrien af ​​den simulerede fod for at producere en underbensbane svarende til den arbejdsdygtige bevægelse.

For at udpege en ideel fodform simulerede gruppen en række forskellige fødder, hvilket eliminerede de former, der ikke producerede noget nær en arbejdsdygtig gangart i modellen. Derefter blandede og matchede de funktioner i de resterende former for at nå frem til en, der producerede den mest naturlige underbensbane. Resultatet ligner sidebilledet af en kælk.

Olesnavage og Winter regnede med, at hvis de varierede stivheden og formen i henhold til en persons kropsvægt og størrelse, ville protesen også generere benbevægelser svarende til rask gang. For at teste denne idé lavede de flere fod til frivillige i Indien ved hjælp af bearbejdet nylon, et materiale valgt på grund af dets energilagringsevne.

Det, der er fedt, er, at dette ikke opfører sig som en arbejdsdygtig fod - der er ingen ankel eller mellemfodsled, siger Winter. Det er kun én stor struktur, og alt, hvad vi bekymrer os om, er, hvordan underbenet bevæger sig gennem rummet. Det meste af testen blev udført indendørs, men en fyr løb udenfor, han kunne så godt lide det. Det sætter en fjeder i dit skridt.

Den italienske vandrestøvleproducent Vibram designer et naturtro betræk til protesen, der også vil give den trækkraft på mudrede eller glatte overflader. Forskerne planlægger at teste proteserne og belægningerne på frivillige i Indien næste sommer.

Denne model er potentielt spilskiftende for industrien, siger Winter, fordi vi fuldt ud kan kvantificere foden og tune den til enkeltpersoner og bruge billigere materialer.

skjule