Insoles smart economici per monitorare la salute

Le solette sensorizzate sono inserti speciali per le scarpe progettati per studiare i modi di camminare e monitorare la salute durante le attività quotidiane. Affinché queste solette possano essere utilizzate ampiamente, devono essere comode e leggere. Sforzi precedenti hanno dimostrato che è possibile creare queste solette in grado di misurare le forze di reazione del terreno (le forze esercitate dal terreno sul corpo) e tracciare i cicli di camminata. Tuttavia, molti prodotti esistenti usano parti commerciali che limitano il modo in cui possono essere progettati.

Questo lavoro esamina l'uso di quattro sensori morbidi stampati in 3D realizzati con un materiale simile alla schiuma e li posiziona all'interno di una soletta normale. Questi sensori sono stati testati su un tapis roulant speciale che misura le forze del terreno. I test hanno mostrato che i sensori rispondevano bene ai cambiamenti di Pressione mentre le persone camminavano e sono stati efficaci nel stimare le forze di reazione del terreno. I risultati sono stati promettenti, mostrando un'accuratezza media dell'82% per le forze verticali e del 73% per le forze laterali.

Ciò che distingue questi sensori stampati in 3D è il loro costo, che è oltre quattro volte più economico rispetto ai sensori tradizionali realizzati con componenti commerciali. Offrono anche maggiore libertà di design, rendendo più semplice creare e assemblare le solette. Tuttavia, è necessaria ulteriore ricerca per migliorare ulteriormente questi sensori e esplorarne il pieno potenziale.

#La necessità di tecnologia indossabile

Con l'aumento dell'uso della tecnologia per il monitoraggio della salute, sempre più persone si affidano a dispositivi come smartwatch e monitor della frequenza cardiaca. Questi dispositivi aiutano a tracciare le attività fisiche e a tenere d'occhio le condizioni di salute. Possono misurare cose come la frequenza cardiaca e la pressione sanguigna e persino prevedere potenziali problemi di salute come l'apnea notturna o l'ictus. Tuttavia, la maggior parte di questi dispositivi può misurare solo un numero limitato di marker di salute in base ai tipi di sensori che contengono.

Nel campo della cinesiologia, la comprensione di come si muovono le articolazioni durante le attività è stata ampiamente studiata. I metodi tradizionali utilizzano tipicamente impostazioni complesse come sistemi di motion capture insieme a piattaforme di forza per ottenere misurazioni accurate. Anche se questo metodo è preciso, non è pratico per le attività all'aperto. Pertanto, i sensori indossabili offrono un'alternativa migliore. La maggior parte di questi sensori utilizza unità di misura inerziale per raccogliere dati sui movimenti, ma questo approccio richiede misurazioni specifiche sul corpo dell'utente, il che può essere complicato e difficile da ottenere.

Diversi gruppi di ricerca hanno lavorato allo sviluppo di solette sensorizzate per misurare le forze di reazione del terreno. Molti prodotti tradizionali utilizzano celle di carico che sono grandi e ingombranti. Al contrario, sensori più morbidi potrebbero essere più efficaci e comodi. Lavori precedenti hanno indicato l'uso di sensori di pressione, ma questi spesso richiedono processi di fabbricazione complessi, che possono portare a errori.

#Stampa 3D nello sviluppo dei sensori

Con la crescita della tecnologia di stampa 3D, produrre materiali flessibili come elastomeri termoplastici è ora realizzabile. Inoltre, i ricercatori hanno stampato con successo materiali conduttivi, permettendo nuovi tipi di sensori. Ad esempio, la stampa 3D è già stata utilizzata per creare solette specifiche per persone con diabete incorporando design porosi. Queste solette possono essere ulteriormente migliorate con sensori per misurare le forze che i piedi subiscono durante diverse attività.

Questo lavoro mira a presentare un nuovo tipo di soletta sensorizzata che utilizza sensori porosi stampati in 3D per misurare le forze di reazione del terreno e tracciare i modelli di camminata. A differenza di altri sensori disponibili, queste solette possono essere prodotte a una frazione del costo, fornendo al contempo più opzioni di design.

#Design e fabbricazione delle solette sensorizzate

La soletta sensorizzata è composta da quattro strati distinti: uno strato di schiuma morbida che include i sensori, due strati per l'Isolamento e uno strato di messa a terra per garantire un funzionamento sicuro. L'isolamento previene eventuali connessioni elettriche indesiderate che potrebbero influire sul funzionamento dei sensori.

I sensori sono realizzati con un materiale simile alla schiuma che cambia la sua resistenza elettrica in base alla pressione applicata. Questa variazione di resistenza può essere misurata per determinare quanta forza agisce sulla soletta. Per far funzionare i sensori in modo efficace, sono stati posizionati in luoghi chiave sul piede: il tallone, la parte centrale, l'area metatarsale e le dita. Con questa configurazione, diventa possibile catturare i momenti critici in un ciclo di camminata, come quando un piede tocca il terreno o quando si solleva.

Per creare le solette, il primo passo è stato stampare in 3D i sensori utilizzando un metodo che consente una porosità controllata. I sensori sono stati quindi inseriti in tasche di dimensioni appropriate tagliate in una base di schiuma che compone la soletta. Fili conduttivi sono stati attaccati ai sensori per consentire la misurazione delle variazioni di resistenza. Infine, sono stati aggiunti ulteriori strati per isolamento e messa a terra.

#Test delle solette sensorizzate

Una volta assemblate le solette, sono state testate su un tapis roulant specializzato progettato per misurare le forze esercitate dai piedi. I test hanno coinvolto un partecipante che camminava a diverse velocità indossando le solette. Durante i test, i sensori hanno tracciato le variazioni di resistenza, analizzate poi per determinare quanto bene potessero stimare le forze di reazione del terreno.

I risultati hanno mostrato una chiara relazione tra le variazioni di resistenza dei sensori e le variazioni della forza del terreno durante la camminata. Questa capacità di tracciare le fasi di un cammino, come il colpo del tallone e il sollevamento delle dita, ha dimostrato che i sensori catturavano efficacemente come il peso si muoveva sul piede mentre si camminava.

#Prestazioni dei sensori

Le prestazioni delle solette sensorizzate sono state valutate sia per le forze di reazione del terreno verticali che per quelle mediolaterali (laterali). I risultati hanno indicato che i sensori erano efficaci nel stimare queste forze. Le forze di reazione del terreno verticali sono state previste con un'accuratezza di circa l'87% per i set di identificazione dei dati, mentre le forze mediolaterali sono state catturate con un'accuratezza leggermente inferiore.

Confrontando queste nuove solette con altre opzioni disponibili, i costi erano significativamente inferiori. Il costo di produzione di queste solette è molto inferiore rispetto ai resistori di forza tradizionali, rendendole un'opzione più attraente sia per i produttori che per i consumatori. Inoltre, il design morbido di questi sensori le rende più confortevoli per l'uso quotidiano.

#Conclusione

Le solette sensorizzate hanno il potenziale di avere un impatto considerevole nell'analisi della camminata e nel monitoraggio della salute. Affinché questi dispositivi siano pratici per l'uso quotidiano, devono essere sia leggeri che discreti. La ricerca presentata dimostra che sensori porosi stampati in 3D incorporati in solette morbide possono misurare accuratamente i modelli di camminata e le forze di reazione del terreno.

I risultati indicano che queste solette performano in modo comparabile con le opzioni esistenti, ma a un costo significativamente inferiore. Andando avanti, sarà necessaria ulteriore ricerca per valutare la durabilità a lungo termine di queste solette e per esplorare pienamente le opzioni di stampa 3D per migliorare le loro possibilità di design. In definitiva, questa innovazione potrebbe aprire la strada a tecnologie indossabili più efficaci nel monitoraggio della salute e nella riabilitazione.