Teknologi limbah prostetik telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini, tetapi reka bentuk baru boleh membelanjakan puluhan ribu dolar, meninggalkan banyak amputees tanpa produk yang berpatutan.  

Sekarang, jurutera di MIT telah membangunkan a kos rendah, kaki prostetik pasif yang boleh disesuaikan untuk memenuhi individu dan meniru berjalan kaki bertubuh.

"[Berjalan] adalah sesuatu yang sangat penting kepada kita sebagai manusia, dan untuk segmen penduduk yang mempunyai amputasi bawah bahagian bawah, tidak ada teori untuk kita katakan, 'inilah yang sepatutnya kita rekabentuk kekakuan dan geometri kaki untuk anda, agar anda berjalan seperti yang anda mahu, '" Amos Winter, seorang profesor kejuruteraan mekanikal di MIT, dalam satu kenyataan. "Sekarang kita boleh buat itu. Dan itu sangat kuat. "

Penyelidikan ini telah diterbitkan di Jurnal Rekabentuk Mekanik ASME.

Cabaran baru

Penyelidikan MIT bermula pada 2012 apabila Winter didatangi oleh Kaki Jaipur, sebuah organisasi berasaskan India yang mengeluarkan anggota tiruan.

Ia menyediakan kaki sintetik pasif kepada orang-orang di negara-negara membangun dan menyumbang lebih daripada model 28,000 setiap tahun kepada pengguna prostesis di India dan di luar negara.

Selama lebih dari 40 tahun, organisasi telah membuat kaki yang sama - model yang agak rugged, seperti kehidupan yang membolehkan pengguna melakukan tugas di luar dan di dalamnya.

Walau bagaimanapun, model ini agak berat dan struktur dalaman dibuat dengan tangan, yang menghasilkan variasi dalam kualiti produk.

Oleh kerana itu, Jaipur Foot meminta Winter jika dia dapat membantu merancang kaki yang lebih baik dan lebih ringan yang dapat dihasilkan secara massal dengan harga yang rendah.

"Pada ketika itu, kami mula bertanya kepada diri sendiri, 'bagaimana kita perlu merancang kaki ini sebagai jurutera? Bagaimana kita boleh meramalkan prestasi, memandangkan kekakuan kaki dan reka bentuk dan geometri mekanikal? Bagaimanakah kita harus menyesuaikan semua itu untuk mendapatkan seseorang untuk berjalan mengikut cara yang kita mahu mereka berjalan? ' "Kata Winter dalam satu kenyataan.

Membangunkan kaki

Para penyelidik, yang dipimpin oleh bekas pelajar lulusan MIT Kathryn Olesnavage, mula-mula mencari cara yang boleh diukur untuk mengaitkan ciri-ciri mekanikal suatu prostesis kepada prestasi berjalan pengguna

Walaupun hubungan ini mungkin kelihatan jelas, ia tidak pernah terbentuk sepenuhnya.

Ini kerana ramai pemaju kaki prostetik menumpukan pada mereplikasi pergerakan kaki dan pergelangan kaki - satu amalan yang tidak banyak memberi kesan kepada seseorang yang tidak dapat merasakan apa kaki prostetik.

"Salah satu pandangan kritikal yang kita miliki ialah, kepada pengguna, kaki itu hanya seperti kotak hitam - ia tidak berkaitan dengan sistem saraf mereka, dan mereka tidak berinteraksi dengan kaki rapat, "kata Winter dalam satu kenyataan .

Sebaliknya, penyelidik menumpukan pada mereka bentuk kaki prostetik yang akan menghasilkan gerakan bawah kaki yang sama dengan yang berjalan kaki yang bertubuh, dan dengan itu, meningkatkan kemampuan amputee untuk berjalan.

"Pengguna prostesis di India dan negara-negara membangun yang lain biasanya mahu kelihatan bertenaga, untuk mengelakkan stigma yang berkaitan dengan ketidakupayaan. Keperluan ini adalah apa yang membuatkan kita meneroka cara untuk mereka bentuk kaki supaya ia memudahkan gerakan kaki yang bertubuh, "kata Winter.

Oleh itu, dengan fikiran ini, pasukan mencari cara untuk memahami bagaimana mekanik kaki berkaitan dengan bagaimana kaki bawah bergerak apabila kaki bersentuhan dengan tanah.

Para penyelidik merujuk kepada satu dataset sedia ada yang terdiri daripada pengukuran langkah-langkah yang diambil oleh seorang walker yang mampu bertubuh dengan saiz tubuh dan berat tertentu. Para penyelidik terdahulu telah mencatatkan kekuatan tindak balas tanah dan pusat perubahan tekanan yang dialami oleh kaki pejalan kaki dengan setiap langkah, bersama dengan kedudukan dan trajektori kaki bawah.

Para penyelidik kemudiannya membangunkan model matematik yang menggambarkan kekakuan, gerakan yang mungkin, dan bentuk kaki yang mudah, prostetik.

Seterusnya, mereka memasuki pasukan tindak balas darat dari datasat, yang mereka boleh gunakan untuk meramalkan bagaimana kaki bawah pengguna akan diterjemahkan melalui satu langkah.

Dengan menggunakan model mereka, mereka menyesuaikan kekakuan dan geometri dari kaki prostetik yang simulasi untuk mempunyai "kesilapan trajektori kaki yang lebih rendah," dan menghasilkan trajektori kaki bawah yang hampir dengan penggerak yang bertubuh.

Fine-tuning the product

Pasukan kemudian mencari untuk mencari bentuk yang ideal untuk satu kaki prostetik tunggal yang mudah dan mampu untuk menghasilkan, sementara menghasilkan trajektori kaki yang serupa dengan walker yang mampu bertubuh.

Untuk melakukan ini, penyelidik menjalankan "algoritma genetik" untuk mencari reka bentuk yang paling diingini.

Mereka mencipta 'populasi' kaki, dengan pembolehubah yang berlainan untuk membuat bentuk lengkung yang berbeza. Kemudian mereka mengira kesalahan jejak kaki mereka yang lebih rendah, menyingkirkan orang-orang yang mempunyai kesilapan yang lebih tinggi, dan bercampur dan dipadankan dengan kesalahan yang lebih rendah untuk berubah ke arah bentuk yang ideal.

Untuk melakukan ini, mereka menggunakan lengkung Bezier yang luas untuk menggambarkan bentuk kaki, yang pada akhirnya, kelihatan sama dengan pandangan sisi dari toboggan.

Para penyelidik percaya bahawa, dengan menyesuaikan kekukuhan dan bentuk lengkung Bezier kepada berat badan dan saiz seseorang, mereka boleh menghasilkan kaki prostetik khusus kepada pelanggan yang menghasilkan usul kaki yang serupa dengan berjalan kaki bertubuh.

Akhirnya, penyelidik menguji reka bentuk dengan menghasilkan beberapa kaki nilon untuk sukarelawan di India.

"Pasukan penyelidikan kami melawat rakan kongsi kami di India setiap enam bulan untuk menguji prototaip dan mendapatkan maklum balas daripada pesakit dan doktor mereka," kata Winter. "Para pesakit yang mencuba kaki kami amat teruja dengan penyimpanan tenaga dan keupayaan pulangannya, memudahkan kelajuan berjalan normal. Satu subjek ujian berlari ke luar kerana dia sangat teruja mengenainya. "

Langkah seterusnya

Selepas percubaan yang berjaya di India, pasukan itu telah bekerjasama dengan Vibram, sebuah syarikat Itali yang mengeluarkan tali pinggang getah, kasut kaki yang fleksibel dan kasut berlari yang kelihatan seperti kaki.

"Pada musim panas ini, kami akan menjadi medan jangka panjang untuk menguji kaki kami dengan kosmesis bersepadu dan over-molded yang lengkap dan direka khas oleh Vibram," kata Winter. "Kami meneroka model perniagaan terbaik untuk mengkomersilkan teknologi kami. Kami tidak jauh dari pengkomersialan, saya rasa tidak lebih daripada beberapa tahun, tetapi penting bahawa kami melakukan usaha wajar kami untuk memastikan produk itu mantap dan memenuhi keperluan pengguna sebelum kami melepaskannya. "

Di samping itu, penyelidikan itu telah dibiayai oleh Jabatan Pertahanan AS untuk membuat kaki palsu untuk askar yang cedera dan yang ingin kembali ke tugas aktif, serta veteran yang menjalani gaya hidup aktif.

"Kami sedang mencari cara untuk mengadaptasi kaki kami untuk pelbagai senario berjalan yang akan menjadi penting kepada demografi ini, seperti medan kasar dan lereng ke atas dan ke bawah. Kami juga meneroka bagaimana untuk membuat kaki mudah disesuaikan untuk individu, seperti melalui percetakan 3D, "kata Winter.

Musim sejuk juga menambahkan bahawa keupayaan untuk menggunakan saiz badan dan berat badan seseorang untuk mereka bentuk kaki tersendiri untuk individu akan sangat penting untuk wanita, kerana amputees wanita sering menggunakan kaki yang terlalu besar atau terlalu kaku untuk mereka.

Secara keseluruhannya, pasukan itu berharap dapat mencipta kaki prostetik yang dapat menawarkan prestasi berjalan kaki yang bertubuh dengan harga rendah.

"Matlamat kami adalah untuk mencipta teknologi kaki palsu yang menawarkan prestasi berjalan yang sama seperti produk yang terdapat di pasaran kaya, tetapi pada sebahagian kecil daripada harga dan berpatutan untuk puluhan juta amputees anggota badan yang lebih rendah di dunia membangun," kata Winter.

"Kami berharap kaki kami dapat memudahkan pergerakan, pekerjaan, dan integrasi penuh ke dalam masyarakat untuk penduduk ini dengan menyediakan produk yang sesuai, sesuai dengan kultur, dan kemudahan berhampiran pergerakan berjalan yang berpotensi."