Fabricación digital de calzado personalizado con sensores integrados

Sep 11, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 1962 (2023) Citar este artículo

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La fuerte demanda clínica de tecnologías de seguimiento de la salud más precisas y personalizadas ha exigido el desarrollo de dispositivos portátiles fabricados aditivamente. Si bien la paleta de materiales para la fabricación aditiva continúa expandiéndose, la integración de materiales, diseños y métodos de fabricación digital en un flujo de trabajo unificado sigue siendo un desafío. En este trabajo, se propone una plataforma de impresión 3D para la fabricación integrada de dispositivos portátiles blandos a base de silicona con sensores piezoresistivos integrados. Se diseñaron y utilizaron minuciosamente tintas a base de silicona que contienen nanocristales de celulosa y/o cargas de negro de carbón para la escritura directa con tinta de un demostrador de plantillas de zapatos con sensores encapsulados capaces de medir fuerzas tanto normales como de corte. Al ajustar las propiedades del material a las presiones plantares esperadas, la plantilla del zapato personalizada para el paciente se imprimió completamente en 3D a temperatura ambiente para medir las fuerzas de la marcha in situ durante la actividad física. Además, el enfoque digitalizado permite una rápida adaptación del diseño del sensor para satisfacer las necesidades específicas del usuario y así fabricar plantillas mejoradas en múltiples iteraciones rápidas. Los materiales y el flujo de trabajo desarrollados permiten una nueva generación de dispositivos electrónicos blandos totalmente impresos en 3D para el control de la salud.

Los estándares en atención médica mejoran continuamente a medida que continúa creciendo la demanda de un control de la salud más preciso y personalizado1,2,3,4,5,6,7. Esta demanda no sólo proviene del sector médico, que busca atender necesidades estrictamente clínicas, sino también de deportistas y aficionados al deporte que desean tomar mayor conciencia de su estado de salud y condición física3,8. Para abordar esto, se están desarrollando sistemas de sensores portátiles personalizados para proporcionar métricas de salud fisiológica durante un tiempo prolongado1 sin sacrificar la comodidad del usuario9,10. Una aplicación objetivo para el seguimiento continuo de la salud es el análisis de la marcha, que puede proporcionar información sobre la salud general11, el envejecimiento12,13, el rendimiento deportivo y la recuperación de lesiones14. Si bien se han logrado muchos avances en términos de desarrollo de materiales y sensores para crear dispositivos portátiles de monitoreo de la marcha1,9, existen pocas soluciones completas que puedan adaptarse fácilmente al usuario. Además, el estándar de oro en las mediciones del movimiento de la marcha sigue dependiendo de instrumentación estacionaria10,15, que no se puede utilizar para la monitorización de la vida libre. En este contexto, los sensores inerciales se han mostrado prometedores como solución portátil16. Sin embargo, los protocolos de medición necesarios para utilizarlos aún están en desarrollo y aún no se ha demostrado la monitorización a largo plazo con dispositivos específicos del paciente17.

El calzado electrónico en forma de calcetines y plantillas con sensores integrados ofrece una estrategia atractiva para medir de forma fiable la marcha10,18, al tiempo que ofrece un alto grado de comodidad para el usuario. Debido a que pueden insertarse en un zapato de manera fácil y no intrusiva, las plantillas son candidatas ideales para monitorear el movimiento de la marcha. Adaptar la forma, la posición y el material de la plantilla también brinda la oportunidad de mejorar la marcha y prevenir más problemas de salud al corregir la postura y mejorar la distribución de la presión plantar14,19. Además, el rendimiento deportivo puede verse afectado positivamente por el uso de plantillas con rigidez y geometría ajustables20. La integración de sensores en plantillas de última generación es un reto de fabricación abierto, para el que se han propuesto diferentes conceptos. Hasta ahora, se han desarrollado varios sistemas de detección plantar inteligentes elastoméricos con mecanismos de detección mecánicos integrados que incluyen sensores de presión capacitivos21,22, piezoresistivos23, resistores sensibles a la fuerza24 y triboeléctricos25,26. Estos sistemas integrados se han fabricado mediante fabricación de carrete a carrete27, inducción láser28 o fabricación en sala limpia29. A pesar de estos atractivos avances, los enfoques actuales todavía dependen de flujos de trabajo de fabricación convencionales que no pueden satisfacer la creciente demanda de digitalización y personalización.

La impresión 3D es un enfoque prometedor para llenar este vacío al proporcionar altos niveles de personalización, ciclos de producción cortos y oportunidades totales de digitalización30,31. Aunque la industria del deporte ha expresado mucho interés en los objetos impresos en 3D personalizados32, la investigación aplicada sobre la fabricación y caracterización de dichos dispositivos se ha quedado atrás. Ya están disponibles tecnologías para imprimir en 3D los materiales blandos necesarios para la fabricación de dispositivos electrónicos portátiles. Estas incluyen fotopolimerización en tina33,34, inyección de material35 y técnicas de extrusión de materiales como escritura directa con tinta (DIW) y fabricación de filamentos fundidos (FFF)36,37,38,39. En particular, DIW es adecuado debido a la gran variedad de materiales que se pueden depositar utilizando esta técnica33,34,40,41, en particular polímeros, pastas conductoras, así como materiales piezoresistivos y piezoeléctricos42,43,44,45,46,47. 48,49. A pesar de la amplia gama de materiales disponibles, esta versátil técnica de impresión 3D aún no se ha aprovechado plenamente para la fabricación de calzado electrónico. Trabajos recientes sobre DIW de electrónica blanda han demostrado el potencial de esta tecnología para generar conjuntos de sensores para aplicaciones de plantillas21. La impresión 3D de plantillas específicas para el usuario y su validación en entornos de vida libre son los siguientes pasos cruciales para crear la próxima generación de calzado electrónico personalizado.

En este trabajo, proponemos una plataforma de impresión 3D integrada para la fabricación digital de una plantilla inteligente totalmente personalizada con sensores piezoresistivos integrados y demostramos el uso de dicho calzado personalizado en actividades físicas del mundo real. Utilizando tintas funcionales que proporcionan capacidades de detección y ajuste local de las propiedades mecánicas de la plantilla, nuestro objetivo es aprovechar la capacidad de modelado complejo y multimaterial del DIW no sólo para recopilar datos de las interacciones entre el usuario y el entorno, sino también para ajustar la respuesta mecánica de la plantilla personalizada. plantilla para mejorar el rendimiento o la condición de salud del usuario (Fig. 1). A largo plazo, la visión es utilizar esta plataforma de impresión para adquirir datos físicos reales, que pueden usarse como entrada para la creación de un gemelo digital para generar diseños de calzado mejorados. Para ello, primero se caracterizan y optimizan las propiedades mecánicas y reológicas de los compuestos de silicona, con rellenos funcionales, para permitir la fabricación de estructuras 3D complejas con sensores integrados de presión y cizallamiento. A continuación, validamos el rendimiento de nuestros sensores y diseños de plantillas mediante pruebas mecánicas que simulan cargas estáticas y dinámicas de una persona que camina. Finalmente, damos forma a una plantilla con sensores integrados reconstruyendo la superficie de una plantilla de zapato comercial y realizamos pruebas con la plantilla dentro de un zapato para capturar la marcha en condiciones de vida libre.

Propuesta de análisis y ciclo de fabricación de plantillas personalizadas con sensores integrados. En el flujo de trabajo previsto, un trabajador sanitario capacitado puede imprimir en 3D la plantilla basándose en el diagnóstico médico inicial y luego imprimir versiones adaptadas de la misma teniendo en cuenta los datos de la marcha capturados durante las actividades físicas. Ilustración proporcionada por Estevam Quintino (CC BY 4.0).

La plataforma de fabricación digital propuesta se basa en el desarrollo de una paleta de materiales adecuada. Con este fin, preparamos un conjunto de tintas que coinciden con el comportamiento reológico requerido para DIW y que también presentan las propiedades del material necesarias para imprimir sensores funcionales y estructuras 3D mecánicamente sintonizables. Para igualar la flexibilidad y elasticidad requeridas para un dispositivo portátil, nuestras formulaciones se basan en un elastómero de silicona disponible comercialmente, al que hemos compuesto con dos tipos de partículas de relleno funcionales. En primer lugar, se utilizaron nanocristales de celulosa de superficie modificada (CNC) como relleno estructural para modificar las propiedades reológicas de las tintas y la respuesta mecánica de las partes de la plantilla que soportan carga. La nanocelulosa está funcionalizada con metiltrimetoxisilano (MTMS) para mejorar su afinidad superficial hacia la silicona y así facilitar la mezcla con el elastómero base (Fig. 2 a). En segundo lugar, se incorporaron rellenos funcionales en forma de partículas de negro de humo en siliconas reológicamente optimizadas para imprimir los elementos piezoresistivos de los sensores de la plantilla. Se espera que estas partículas de relleno eléctricamente conductoras formen una red de percolación dentro del compuesto a base de silicona, lo que hace que su resistencia eléctrica cambie tras la aplicación de fuerzas externas.

Diseño y caracterización de tintas estructurales y piezoresistivas. (a) Esquema del proceso de impresión DIW de la resina de silicona reforzada con CNC utilizada como tinta estructural. Las caricaturas ilustran la alineación de los CNC con superficie modificada dentro de la matriz de silicona. (b) Módulos de corte de pérdida y almacenamiento de tintas estructurales con diferentes concentraciones de CNC. (c) Módulos de tracción de tintas compuestas preparadas con distintas concentraciones de CNC. El recuadro muestra el efecto de la dirección de impresión sobre la resistencia a la tracción de las piezas impresas. (d) Estructuras tipo cuadrícula con diferentes densidades de relleno impresas con tinta reforzada con CNC al 12,5% (p/p). De abajo hacia arriba, las densidades de relleno corresponden al 100%, 50% y 25%. (e) Módulos de compresión de la tinta reforzada con CNC al 12,5% a diferentes densidades de relleno. (f) Las reconstrucciones 3D de superficie de tintas estructurales contienen concentraciones de CNC del 5,0% (p/p) (arriba) y del 12,5% (p/p) (abajo). Ambas muestras se imprimieron utilizando una boquilla con un diámetro de 0,62 mm. (g) Reconstrucción 3D de la superficie de un conector de plata impreso sobre un sustrato impreso con una tinta reforzada con CNC al 5,0 %. (h) Efecto de diferentes concentraciones de negro de humo sobre la sensibilidad de elementos piezoresistivos impresos a partir de tintas que contienen 1-pentanol como diluyente. En el recuadro, muestra del sensor normal utilizado para la determinación de la sensibilidad.

Al incorporar los CNC modificados en la matriz de silicona, podemos ajustar tanto las propiedades reológicas de las tintas como la respuesta mecánica del material impreso después del curado (Fig. 2b). En términos de comportamiento reológico, la tinta cambia de un material fluido a un material viscoelástico cuando la concentración de CNC aumenta más allá del 5,0% (p/p). Las propiedades mecánicas de la tinta curada también se ven fuertemente afectadas por la presencia de CNC. Las pruebas de tracción muestran que la capacidad de formar redes de las partículas CNC conduce a una resistencia 2 veces mayor y una rigidez 5 veces mayor en comparación con las de la silicona pura (Fig. 2c). La adición de CNCs no sólo nos permite cambiar las propiedades reológicas y la rigidez de la tinta, sino también obtener una respuesta mecánica anisotrópica. Debido a las fuerzas de corte y extensión experimentadas por el material durante la extrusión a través de la boquilla, las partículas alargadas del CNC se alinean en la dirección del flujo aplicado (Fig. 2a), como se demostró en trabajos anteriores50. Esto da como resultado una línea impresa con microestructura y propiedades anisotrópicas (Fig. 2c, recuadro) y nos brinda la oportunidad de actuar aún más sobre la resistencia de la plantilla impresa simplemente determinando el patrón de movimiento de la extrusora durante el proceso de impresión. Además de la formulación de la tinta, las propiedades mecánicas de las piezas impresas también se pueden ajustar fácilmente cambiando la densidad de las líneas de impresión en estructuras tipo cuadrícula (Fig. 2d). De hecho, se encontró que un aumento en el factor de relleno del 25 al 100% mejora la rigidez a la compresión de la rejilla de 3 a casi 8 MPa (Fig. 2e).

El comportamiento reológico de la tinta también juega un papel decisivo en nuestra capacidad de imprimir geometrías complejas en 3D con respuesta mecánica ajustable o sustratos lisos para elementos piezoresistivos y conductores funcionales. Para imprimir estructuras 3D con voladizos y patrones complejos, la tinta debe mostrar un límite elástico lo suficientemente alto como para evitar el efecto de distorsión de la forma de las fuerzas capilares51. Este requisito se cumple con tintas de silicona que contienen un 12,5% (p/p) de CNC modificados. Con un límite elástico de 1,3 kPa, esta tinta permite la deposición de filamentos sin distorsión que permiten fabricar piezas que se extienden en 3D, como las estructuras tipo rejilla que se muestran en la Fig. 2d. Si bien las geometrías 3D necesitan tintas viscoelásticas, las regiones más suaves de la plantilla necesarias para albergar elementos piezorresistivos y conductores solo pueden formarse utilizando tintas que sean lo suficientemente fluidas como para aplanarse en una superficie más suave mediante la acción de la gravedad y las fuerzas capilares. Para satisfacer esta condición, optamos por tintas con una concentración CNC más baja del 5,0% (p/p). El análisis de microscopía óptica de muestras impresas revela que esta tinta produce una rugosidad superficial de 4,2 ± 1,5 µm, que es al menos 8 veces menor que la lograda con una formulación que contiene 12,5% (p/p) de CNC (Fig. 2f). Los experimentos de impresión muestran que la suavidad del sustrato es crucial para generar conectores eléctricos robustos y elementos piezoresistivos (Figura S1). Además, descubrimos que la introducción de protuberancias rígidas en la parte superior de la capa piezoresistiva impresa mejoró la sensibilidad del sensor al mejorar la transferencia de fuerza al elemento sensor (Fig. 2g). Como la presencia de protuberancias rígidas puede reducir la ergonomía y el soporte del pie, se puede imprimir una capa topológica adicional en la plantilla para evitar cualquier influencia de las protuberancias en la marcha y garantizar la confiabilidad a largo plazo del dispositivo portátil final. Se utilizaron tintas que contenían 12,5% (p/p) de CNC para la producción de protuberancias rígidas en la parte superior de la capa sensora. Es importante destacar que nuestros resultados muestran que el uso de CNC modificados y diseños de rejilla ajustables nos permite ajustar la reología de la tinta y las propiedades mecánicas del material impreso sin cambiar la composición química de la matriz de silicona base.

Los elementos piezoresistivos se imprimieron con éxito sobre sustratos de silicona lisos utilizando tintas funcionales llenas de partículas de negro de carbón (Fig. 2g). Para lograr una respuesta piezoresistiva, estas tintas se diluyeron con un solvente que induce la formación de una red de partículas de carbono sensibles al estrés al secarse. El comportamiento reológico de la tinta piezorresistiva se optimizó para DIW incorporando sílice pirógena en la formulación (Figura S2). Para completar el conjunto de tintas necesarias para imprimir las plantillas electrónicas, seleccionamos una formulación a base de plata disponible comercialmente. Dicha tinta se utilizó para generar el circuito de líneas de 50 a 100 µm de espesor que conectan los elementos sensores (Fig. 2g). Para mejorar la adhesión de esta tinta al sustrato de silicona, realizamos un tratamiento con plasma de arco pulsado en el elastómero utilizando un sistema de plasma atmosférico montado a medida. Este sistema se monta directamente en la impresora para permitir el tratamiento superficial en línea del sustrato durante el proceso de fabricación. Los efectos positivos de dicho tratamiento sobre la adhesión de los conectores de plata se confirmaron mediante una prueba de adhesión con cinta (Figura S3). La capacidad de detección del compuesto de negro de carbón y silicona se evaluó midiendo el cambio en la resistencia eléctrica del elemento piezoresistivo impreso en función de la presión aplicada. Utilizando diferentes formulaciones de tinta, observamos que la sensibilidad de los elementos piezoresistivos se puede aumentar en un factor de 3 ajustando la concentración de negro de humo dentro del rango de 4,0 a 5,0% (p/p) (Fig. 2h). Una mayor optimización del tipo y la cantidad de disolvente añadido a la tinta permitió una mejora adicional en la estabilidad de los sensores (Figura S4). Para la aplicación específica, se encontró que una concentración de 4,0 % (p/p) de negro de humo y 80 % de 1-pentanol era óptima en términos de capacidad de impresión de la tinta y rendimiento piezoresistivo. Se midió el módulo de compresión del material impreso con esta tinta óptima (Figura S2d) y se utilizó para determinar el factor de calibre de los elementos sensores impresos.

Utilizando los materiales y el sistema de impresión descritos anteriormente, desarrollamos diseños de sensores de fuerza normal y de corte que podrían integrarse en una plantilla flexible para monitorear la marcha. Los sensores con un diseño de galga extensométrica simple se fabricaron imprimiendo DIW una tinta piezoresistiva con 4,0 % (p/p) de negro de humo sobre un sustrato impreso con una tinta estructural que contenía 5,0 % (p/p) de CNC. La detección de presión normal se logró utilizando una configuración de sensor que emplea un único elemento piezoresistivo rectangular colocado sobre dos electrodos de plata paralelos (Fig. 3a.i). El principio de funcionamiento de este sensor se basa en el aumento de la resistencia eléctrica en la trayectoria conductora longitudinal del medidor de detección inducida por la tensión de tracción debida a la compresión normal52. Para medir las fuerzas de corte, utilizamos una segunda configuración de sensor que consta de dos elementos piezoresistivos colocados en paralelo. En este diseño, la diferencia de resistencia eléctrica entre los dos elementos se utiliza para cuantificar las fuerzas cortantes aplicadas (Fig. 3a.ii). Se utilizaron elementos piezoresistivos con forma de galón para introducir flexibilidad mecánica en una dirección y resistencia en la opuesta, lo que resultó en una diferencia de deformación entre los dos elementos bajo la misma fuerza cortante. Las galgas extensométricas de todos los sensores se cubrieron con una protuberancia, impresa con una tinta estructural más rígida (12,5% (p/p) CNC), para permitir una transferencia de fuerza más efectiva y una presión de compresión constante. Para demostrar la eficacia de nuestro enfoque de impresión 3D, se fabricaron y probaron múltiples sensores utilizando un conjunto de condiciones de prueba predeterminadas.

Sensores piezoresistivos utilizados para medir fuerzas normales y cortantes. (ai,ii) Imágenes y esquemas de los sensores de fuerza (i) normal y (ii) de corte. (b – d) Respuestas en forma de cambio en la resistencia (∆R) del sensor normal en condiciones (b) estáticas y (c) de baja frecuencia o (d) dinámicas de alta frecuencia. ( e, f ) Respuestas del sensor de corte en forma de diferencia de resistencia entre el sensor delantero y trasero en función de (e) el tiempo y (f) la fuerza de corte aplicada. (g) Sensibilidad del sensor de fuerza cortante cuantificada en términos de cambio de resistencia normalizado (%) bajo distintas fuerzas normales y cortantes.

Las respuestas de nuestros sensores de fuerza normales se determinaron aplicando casos de carga que se asemejan al uso humano, iguales a las presiones plantares ejercidas al caminar, correr y otras actividades deportivas53,54. El rendimiento del sensor normal ante cargas estáticas se determinó midiendo el cambio en la resistencia (∆R) 30 s después de la carga completa para varios sensores (n = 6) en un rango de presión de 200 a 1000 kPa (Fig. 3b). Se encontró que la sensibilidad estática promedio de los sensores era 13,2 ± 0,5 Ω/kPa o 0,22 ± 0,03%/kPa (R2 = 0,998) para este rango de presión. Las desviaciones observadas en los valores máximos de respuesta se pueden atribuir a una ligera diferencia en la resistencia inicial (R0) entre los sensores, que tenía un valor de 6,1 ± 1,4 kΩ (Figura S5). Al calibrarse para esta compensación de referencia, los sensores pueden detectar con precisión las presiones plantares para actividades de bajo y alto impacto. Se encontró que las respuestas estáticas eran estables a lo largo del tiempo después de la aplicación de carga completa tanto en el caso de carga como en el de descarga (Figura S6). A partir del cambio de resistencia medido experimentalmente de 8,2 ± 1,1 kΩ y el módulo de compresión de 9,2 ± 0,1 MPa (Figura S2d), calculamos el factor de calibre (GF) de los sensores de fuerza normal en 31,2 ± 0,1.

Además de las condiciones de carga estática, también se evaluó la respuesta dinámica de los sensores de fuerza normal utilizando presiones seleccionadas de 200, 600 y 1000 kPa. Las mediciones se realizaron en las frecuencias de 0,5 Hz, 1 Hz y 2 Hz para representar velocidades de caminata lenta de menos de 3 km/h (<1 Hz) y velocidades de carrera superiores a 18 km/h (Fig. 3c,d, Figura S7). )55. Después de un breve período de estabilización, la respuesta del sensor puede verse como una onda armónica con máximos y mínimos correspondientes a los estados cargado (pico) y descargado (valle). La diferencia entre estos dos valores se define como amplitud dinámica. Se encontró que estas amplitudes eran estables a lo largo del tiempo, con menos del 2% de deriva máxima para el intervalo de tiempo entre 5 y 30 minutos (Figura S7). Para cuantificar la sensibilidad del elemento piezorresistivo en estas condiciones dinámicas, promediamos los valores de pico y valle medidos cada 5 minutos y analizamos para cada condición de prueba (Figura S8). Los resultados indican que la respuesta máxima relativa aumenta linealmente con la presión de actuación, lo que lleva a una sensibilidad de 16,9 ± 0,8% por 100 kPa (R2 = 0,999). Esta sensibilidad es ligeramente menor que la medida para la prueba estática, probablemente debido a la naturaleza transitoria de la carga aplicada. Los valores de valle relativos siguen la misma tendencia, aunque con una variación menor de 10,1 ± 2% por 100 kPa (R2 = 0,989). La menor sensibilidad obtenida para los valores del valle podría estar relacionada con las propiedades viscoelásticas del material piezoresistivo, que le impide regresar completamente a su estado inicial. En particular, la frecuencia de carga no influyó significativamente ni en la sensibilidad de pico ni de valle del sensor piezoresistivo (Figura S8b).

Los sensores de fuerza de corte se evaluaron sujetando los sensores con presiones normales de 400, 600 y 800 kPa y cortándolos en dirección negativa o positiva hasta una fuerza de 15 N. La dirección positiva corresponde a una fuerza de corte aplicada hacia los dedos de los pies. , mientras que la dirección negativa está asociada con fuerzas que apuntan al talón (Fig. 3e). Antes del corte, los sensores exhibieron una resistencia base promedio bajo presión de sujeción (RN) de 7,0 ± 0,8 kΩ. La respuesta del sensor a las diferentes fuerzas de corte aplicadas se cuantificó midiendo el cambio en la resistencia (R - RN) de los elementos piezorresistivos para presiones de sujeción de 400, 600 y 800 kPa. Al cambio de resistencia en los elementos piezoresistivos delantero y trasero lo llamamos ∆RFront y ∆RBack, respectivamente. Los datos experimentales revelan que, al medir la diferencia en el cambio de resistencia entre los elementos piezoresistivos delanteros y traseros (∆RFront–∆RBack), los sensores se pueden usar para distinguir efectivamente la dirección de la fuerza cortante aplicada independientemente de la carga normal (Fig. .3f). Para cargas normales de 600 y 800 kPa, observamos una correlación directa entre el valor diferencial medido y las fuerzas cortantes aplicadas. Esta correlación permite la detección del rango de fuerza cortante si las presiones de carga aplicadas son suficientemente altas. Esta característica es especialmente útil para detectar actividades intensas con altas presiones de corte transitorias, como cortar o saltar. Aunque el diferencial absoluto es mayor a presión normal aumentada, la sensibilidad más alta, definida como (∆R/∆RN), se logró a una presión de 400 kPa (Fig. 3g) con un valor de 2,96 ± 0,11%/N ( R2 = 0,99), a diferencia de 2,31 ± 0,28%/N para 600–800 kPa. Se encontró que estas sensibilidades eran independientes de la dirección de corte. Los resultados presentados indican que los sensores piezorresistivos desarrollados totalmente impresos en 3D son adecuados para detectar una amplia gama de movimientos repetitivos a una variedad de velocidades y presiones relevantes para el seguimiento de la marcha. Para la detección de presiones al caminar, solo es necesario monitorear la respuesta máxima, que resultó ser lineal y repetible para los sensores de fuerza normales. Además de la presión máxima, la intensidad de la actividad física se puede determinar con la amplitud dinámica de la señal, que presenta un ligero error de un pequeño porcentaje en los valores de presión medidos. La capacidad de medir la dirección y magnitud de las fuerzas de corte es una característica única de los sensores piezoresistivos desarrollados, que complementa la información proporcionada por los datos de presión normal. Por último, se observó una pequeña cantidad de deriva a lo largo del tiempo durante las pruebas dinámicas, que fue más fuerte a un ritmo de marcha más lento. Esta dependencia de la frecuencia y la deriva podrían corregirse desarrollando un algoritmo de procesamiento de señales apropiado.

Utilizando los sensores desarrollados, demostramos por primera vez un calzado impreso en 3D totalmente integrado con capacidades de detección de fuerza normal y de corte para monitorear la marcha en tiempo real (Fig. 4a). La disposición del sensor de la plantilla desarrollada se basó en la estructura esquelética del pie, con sensores colocados en regiones de interés que se esperaba que sufrieran una carga mecánica extensa (Fig. 4b). La plantilla se imprimió usando tintas estructurales (5,0% y 12,5% p/p CNC) para generar la forma de base tridimensional, la tinta piezoresistiva (4% p/p de negro de carbón) para los elementos sensores y la tinta conductora para el electrodos y elementos de conexión. Para proteger los sensores y electrodos del desgaste, también se imprimió una capa de encapsulación monolítica en la parte superior de la base de la plantilla utilizando tinta estructural con CNC al 5,0 % (p/p). Esta capa adicional resultó en un efecto de rigidez y una mayor respuesta del sensor durante la compresión estática que mejoró la sensibilidad del elemento piezoresistivo hasta 16,8 ± 1,5 Ω/kPa o 0,3 ± 0,0%/kPa. Además, la interferencia que podría ser causada por la encapsulación se analizó reevaluando los sensores después de la encapsulación (Figura S10). La interferencia encontrada fue de un error inferior al 0,4% o inferior a 0,1 kPa, lo que no influye significativamente en la lectura del sensor.

Plantilla totalmente impresa en 3D con sensores integrados y su respuesta para diversos tipos de actividades físicas. (a) Fotografía de la plantilla completa. (b) Superposición de la estructura esquelética de un pie sobre la disposición del sensor. Los cuadrados indican los sensores de corte y los círculos los sensores de presión normal. (c) Presiones plantares normales y fuerzas de corte detectadas con los sensores integrados en todo el pie del sujeto de prueba, sin ninguna carga adicional y con 20 kg de peso adicional. (d) Distribución del peso dentro de la plantilla con carga adicional creciente. (e–g) Señales de sensores y sus cambios para varias actividades, incluyendo (e) caminar en pendientes a 2 km/h, (f) subir y bajar escaleras, (g) caminar a 4 km/h y trotar a 6 km/h. h. Ilustraciones en paneles (e-g) proporcionadas por Estevam Quintino (CC BY 4.0).

Para evaluar la capacidad de seguimiento de la marcha de la plantilla, se realizaron pruebas estáticas y dinámicas con un sujeto de prueba de aproximadamente 70 kg. Para estos experimentos de seguimiento, el sujeto de prueba realizó varias actividades físicas mientras usaba la plantilla. Las fuerzas normales y de corte se capturaron durante estas actividades utilizando los sensores integrados. También se podría realizar una evaluación estática de la distribución normal de la presión plantar, que muestra que la presión más alta se produce en el retropié. Nuestros resultados indican que el 57,1 ± 1,7% del peso total se registró en la parte posterior del pie, frente al 42,8 ± 2,6% en el antepié (Fig. 4c). Estos valores concuerdan con las mediciones realizadas mediante un dispositivo externo de medición de la presión plantar56. La detección de presión se evaluó más a fondo con el sujeto de prueba llevando una mochila con 10 y 20 kg de peso adicional. Esto alteró tanto la distribución plantar normal como su postura, y el peso adicional desplazó la distribución de la presión hacia el talón (Fig. 4d).

Para complementar el análisis estático, se investigó más a fondo el rendimiento de la plantilla del zapato en varios modos de marcha dinámicos, incluido caminar en terrenos con distintas pendientes, subir y bajar escaleras y correr a diferentes velocidades (Fig. 4e-g). Todos los resultados se informan en términos de una salida de voltaje digital de los sensores de fuerza normal y de corte. Para demostrar la influencia de la pendiente de la superficie en la marcha, se midieron las fuerzas normales y de corte al caminar en una cinta rodante inclinada. Las pruebas de caminata se realizaron a un ritmo relajado de 2 km/h sobre una superficie plana, una pendiente media de 15° y una pendiente pronunciada de 30° (Fig. 4e).

Los datos de detección dinámica obtenidos revelan que el sujeto de prueba compensó el aumento de la inclinación cambiando la postura. Esto se evidencia por una redistribución de la presión normal, con más peso transferido al antepié, lo que coincide con resultados anteriores medidos con un dispositivo externo57. Para los sensores que no experimentaron cargas de alta presión en superficies planas, su respuesta no cambió significativamente en condiciones inclinadas. El cambio de postura también es capturado por los datos de la fuerza cortante. Estas fuerzas se evalúan en términos de señales diferenciales creadas restando las respuestas de un par de medidores. Se consideran dos conjuntos de pares de galgas, uno situado en el retropié y otro en el antepié. Para ambos conjuntos de sensores, cuando la fuerza de corte se aplica hacia los talones (dedos de los pies), la señal diferencial es positiva (negativa). En una superficie plana, nuestras mediciones revelan que ambas señales de fuerza de corte muestran una magnitud comparable de alrededor de 6,3 ± 0,9 au pero de polaridades opuestas. Esto significa que se aplican fuerzas de corte en la dirección de los dedos del pie en el antepié y en la dirección del talón en el retropié, similares a las fuerzas de corte medidas con una plantilla equipada con sensores ópticos58. Sin embargo, cuando la superficie está inclinada a 15°, la polaridad del voltaje en el antepié cambia de negativa a positiva, lo que indica que las fuerzas de corte en el antepié y el retropié ahora se aplican hacia el talón. La amplitud de las fuerzas de corte detectadas en el talón disminuye aproximadamente un 18% con una inclinación de 15° y se vuelve irregular y bidireccional con una inclinación de 30°. Es probable que esto se deba a la reducción de la longitud del paso y al cambio en la cadencia al aumentar la inclinación59.

Nuestra plantilla también se probó al subir y bajar escaleras, lo que constituye un tipo de marcha único (Fig. 4f). Cuando el sujeto de prueba sube las escaleras, se ejercen presiones normales altas en todas las regiones del pie excepto en el retropié, ya que es necesario levantar todo el cuerpo para colocar la otra pierna en el siguiente escalón. La señal en la parte posterior del pie está dominada por fuerzas de corte, ya que el talón golpea primero el siguiente paso antes de que el resto del pie lo toque. Un escenario similar se encuentra cuando el sujeto baja las escaleras. Nuevamente, se detectan presiones normales altas en todas las regiones excepto en la parte posterior del pie, ya que el sujeto aterriza con todo el peso en la parte delantera del pie antes de estabilizarse. Esta inestabilidad da como resultado un movimiento de corte bidireccional similar al observado cuando el sujeto camina con una inclinación de 30°. En este caso, sin embargo, las fuerzas de corte elevadas se desarrollan sólo en el antepié, que es la región que primero toca el siguiente escalón al bajar.

Por último, probamos la respuesta de la plantilla en marchas más rápidas haciendo que el sujeto de prueba caminara a una velocidad de 4 km/h y trotara ligeramente a 6 km/h (Fig. 4g). En estas condiciones, todos los sensores pudieron registrar el desarrollo de la marcha (Figura S10). Al aumentar la velocidad de 4 a 6 km/h, observamos un aumento de 2,5 ± 0,6 veces la presión normal, lo que concuerda con los valores encontrados en la literatura57,60. Además, a velocidades más rápidas, la colocación del pie se vuelve menos estable, como lo indican las fuerzas de corte que ocurren en ambas direcciones. Estos patrones de corte son similares a los de las pendientes de 30° y al bajar escaleras. En general, nuestras pruebas de monitoreo de la marcha en tiempo real demuestran que la combinación de sensores de fuerza normal y de corte, distribuidos en ubicaciones específicas a lo largo de la plantilla, proporciona datos de movimiento extensos que pueden usarse efectivamente como planos para identificar el modo de marcha y la intensidad del ejercicio físico. actividad.

En resumen, hemos desarrollado tintas funcionales para la fabricación de una plantilla totalmente impresa en 3D con sensores piezoresistivos integrados que es adecuada para el control de la presión normal y de corte de la marcha humana. Al colocar estos sensores en posiciones de la plantilla específicas del paciente, es posible identificar y cuantificar la marcha en condiciones del mundo real. Como los materiales de materia prima están fácilmente disponibles y pueden procesarse a temperatura ambiente utilizando una impresora de escritorio basada en extrusión, esperamos que esta plataforma de fabricación sea rentable y fácilmente trasladable a instalaciones ortopédicas donde la plantilla se pueda adaptar in situ a al usuario por médicos y especialistas ortopédicos. Además, la naturaleza biocompatible de la silicona utilizada en las formulaciones de tinta hace que nuestros materiales sean seguros para la piel, flexibles y resistentes para el uso humano. Por lo tanto, la tecnología propuesta debería abrir el camino hacia un calzado inteligente personalizado que pueda medir la marcha tanto para la rehabilitación como para el rendimiento deportivo.

El trimetoximetilsilano (MTMS) y el 1-pentanol se adquirieron de Sigma-Aldrich. El micropolvo de negro de carbón (Ketjenblack EC-300J) se obtuvo de Nouryon. La sílice pirógena hidrófoba (HDK 30) se obtuvo de Wacker Chemie AG, mientras que los nanocristales de celulosa (CNC, CelluForce NCV10) se obtuvieron de CelluForce. El elastómero de silicona SYLGARD 184 utilizado durante todo el proyecto fue suministrado por Dow Chemical, mientras que la tinta a base de plata (Ag Paste 520 EI) y el diluyente se compraron a Chimet SpA.

La silanización de CNC con MTMS se realizó según un protocolo establecido61. Brevemente, se añadieron gota a gota 1,7 g de MTMS a 500 ml de agua destilada (MilliQ) y el pH de la solución resultante se ajustó a pH 4 usando HCl. Mientras tanto, se dispersaron 5 g de CNC en 250 ml de agua MilliQ y el pH de la suspensión obtenida se ajustó a 4 usando HCl. Después de estabilizar el pH de los dos lotes, la solución de MTMS se añadió gota a gota a la suspensión de CNC con agitación y la mezcla se dejó durante 1 h para permitir la reacción de silanización. Luego, la suspensión se congeló con nitrógeno líquido y se liofilizó para obtener un polvo de CNC-MTMS.

La pasta de plata conductora (Chimet, Ag Paste 520 EI) se utilizó para imprimir los electrodos y las conexiones de los sensores después de la dilución con un 10% (p/p) de diluyente. Para preparar la tinta piezorresistiva a base de silicona con 4% (p/p) de negro de humo, se mezclaron 0,20 g de micropolvo de negro de humo con 3,49 g de 1-pentanol usando un mezclador planetario (Thinky, ARE-250) durante 5 minutos a 2000ºC. rpm. Posteriormente, se agregaron al lote 0,44 g de sílice pirógena hidrófoba y 3,96 g de base de elastómero SYLGARD 184 y se mezclaron nuevamente en el mezclador planetario durante 5 min a 2000 rpm. Luego, la pasta obtenida se molió hasta 10 µm utilizando un molino de 3 rodillos (EXAKT Technologies, EXAKT 80). Finalmente, se añadió el agente de curado SYLGARD 184 a la mezcla en una proporción de 1:10 (p/p) con respecto a la cantidad de base elastomérica presente en la pasta después de la molienda. Luego, la tinta piezorresistiva se utilizó directamente para imprimir los elementos sensores. Para preparar la tinta estructural a base de silicona con CNC modificado al 5% (p/p), mezclamos 0,50 g de CNC recubierto de MTMS con 8,64 g de base de elastómero SYLGARD 184 usando el mezclador planetario durante 5 minutos a 2000 rpm. Después de moler la pasta obtenida hasta 10 μm usando el molino de 3 rodillos, agregamos 0,86 g de agente de curado SYLGARD 184 a la mezcla. La tinta estructural con CNC recubierto de MTMS al 12,5% (p/p) se preparó siguiendo el mismo procedimiento. En este caso, se agregaron 1,25 g de CNC recubierto de MTMS a 7,95 g de base de elastómero SYLGARD 184, añadiéndose 0,80 g de agente de curado SYLGARD 184 al final del proceso.

El sistema de impresión utilizado en todo el estudio se ensambló internamente con base en una plataforma Stepcraft D420 (Figura S12a). Dicha plataforma estaba equipada con un cabezal de impresión hecho a medida capaz de contener 3 herramientas a la vez (Figura S12b). Las tintas estructurales a base de silicona se imprimieron utilizando una bomba de cavidad progresiva (Preeflow, eco-PEN300), mientras que las otras formulaciones de tinta se depositaron utilizando un controlador de presión de aire. El equipo también estaba equipado con un sistema de plasma (Relyon, plasmabrush PB3) para activar las tintas y mejorar la adhesión entre capas. Como las estructuras impresas son delgadas y livianas, se incorporó una placa calefactora a la impresora para garantizar el curado térmico. En caso de que sea necesario imprimir geometrías más altas utilizando nuestro sistema, se deberá utilizar una cámara de calentamiento adicional para garantizar que las impresiones se curen correctamente. Todos los códigos G utilizados para la impresión se obtuvieron utilizando una segmentación personalizada desarrollada en Grasshopper para Rhinoceros (McNeel).

Todas las pruebas de compresión y tracción se realizaron utilizando una máquina de prueba mecánica de mesa (AGS-X, Shimadzu). Tanto las mediciones de compresión como de tracción se realizaron a una velocidad de desplazamiento de 5 mm/s. Para los ensayos de compresión utilizamos muestras cilíndricas de 6 mm de espesor y 19 mm de diámetro. Para los ensayos de tracción se emplearon probetas de hueso de perro. Todas las pruebas reológicas se llevaron a cabo a 25 °C en un reómetro compacto controlado por tensión (Anton Paar MCR 302) utilizando una geometría de placa paralela pulida con chorro de arena (PP25) con un espacio de 1 mm. Los barridos de amplitud se realizaron a una frecuencia de 1 Hz. Las pruebas de recuperación elástica se realizaron alternando mediciones oscilatorias al 1% de tensión y 1 Hz, y mediciones rotacionales a una velocidad de corte de 50 s-1, para simular las fuerzas aplicadas a las tintas durante el proceso de impresión.

Las pruebas de adherencia se realizaron en parches de plata de 1 × 1 cm2 obtenidos imprimiendo la tinta conductora sobre diferentes sustratos. Cada cuadrado se cortó en una cuadrícula con un bisturí, lo que dio como resultado 49 regiones cuadradas diferentes. Se aplicó cinta adhesiva Scotch Shipping Packaging a cada muestra y se retiró después de 10 s de tiempo de adhesión. Luego se evaluó la puntuación de adhesión de acuerdo con la norma ASTM F1842-15 (Figura S3)62.

Las respuestas estáticas y dinámicas de todos los sensores se cuantificaron midiendo la resistencia eléctrica del elemento piezoresistivo mientras se aplicaban presiones de compresión utilizando un probador mecánico (Instron 3340). La resistencia de los sensores se midió utilizando un multímetro digital Agilent 34410/11A en modo de sonda de dos puntos. Los efectos viscoelásticos se redujeron calentando los sensores ciclándolos hasta la carga máxima aplicada (1000 u 800 kPa) a una velocidad de ciclo de 20 kPa/s.

La evaluación de los sensores bajo cargas estáticas se llevó a cabo a presiones entre 200 y 1000 kPa en pasos de 200 kPa. Se tomaron medidas tanto para los ciclos de carga como de descarga. La respuesta de los sensores se procesó utilizando un script Python. La resistencia eléctrica del elemento piezoresistivo se midió 30 s después de la aplicación de la carga máxima para permitir la estabilización de la señal.

Las pruebas de histéresis (Figura S9) se llevaron a cabo aplicando cargas de 200, 600 y 1000 kPa a una tasa de carga de 20 kPa/s en un total de 3 ciclos. Los datos obtenidos se procesaron mediante un script Python para determinar el porcentaje de histéresis.

La respuesta dinámica de los sensores se evaluó a presiones de compresión de 200, 600 y 1000 kPa utilizando un probador mecánico dinámico (Bose Electroforce 3400) a velocidades de ciclo de 0,5, 1 y 2 Hz. Las señales se procesaron utilizando un script Python para determinar las características dependientes del tiempo de la salida eléctrica.

Las pruebas de corte se llevaron a cabo en un probador mecánico (Instron 3340) bajo cargas de compresión de 400, 600 y 800 kPa. Se aplicaron fuerzas de corte de 5, 10, 15, 20 N sucesivamente y por separado para ambas direcciones de detección utilizando una configuración de corte hecha a medida. Las cargas de fuerza cortante se registraron utilizando una celda de carga dedicada (Futek FSH00096) y un controlador (Futek IPM650).

Para las pruebas de plantillas, las señales del sensor se capturaron utilizando un divisor de voltaje hecho a medida interconectado con un microcontrolador (Adafruit Feather 32u4). Los datos se recopilaron utilizando una suite Python desarrollada internamente que podía capturar y procesar los datos.

Para poder conectar el circuito de lectura electrónica a la plantilla blanda, se imprimió pasta de plata (Chimet, Ag Paste 520 EI) en la parte superior de los cables de los sensores para crear una conexión con una placa de circuito impreso con patrón de cobre flexible (PCB). ). Después del curado, las conexiones se encapsularon con silicona vulcanizada a temperatura ambiente (RTV) para crear un contacto robusto.

Las pruebas de la plantilla impresa se realizaron con la ayuda de un participante humano. Se obtuvo el consentimiento informado del participante antes de las pruebas. El uso de participantes humanos en el proyecto fue aprobado por el Comité de Ética en Investigación Humana (HREC) de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, No: 016-2021. Todas las pruebas se llevaron a cabo de acuerdo con las directrices y regulaciones pertinentes.

Se adjunta información complementaria en forma de documento .pdf con varios diagramas y gráficos adicionales y dos vídeos. Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a través de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

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Marco R. Binelli y Ryan van Dommelen contribuyeron igualmente a este trabajo. La financiación para este trabajo fue proporcionada por el Área de Enfoque Estratégico de Fabricación Avanzada (SFA-AM) del dominio suizo ETH, como parte del proyecto D-SENSE. Los autores desean agradecer a Madeleine Kyne por su trabajo en la electrónica y el software para recuperar señales de la plantilla. Además, los autores desean agradecer al Dr. Julien Favre del Swiss BioMotion Lab, en el hospital universitario del Hospital Universitario de Lausana (CHUV), y a Laurent Hoffman de NUMO Systems AG por sus consejos sobre el análisis de la marcha y el movimiento humano y su apoyo. hacia el proyecto. Los autores agradecen a Estevam Quintino por su ayuda en la realización de algunas de las ilustraciones presentes en este trabajo. Por último, los autores agradecen a Bertrand Robert por el apoyo y el acceso a las instalaciones deportivas de la Universidad de Neuchâtel (UniNe).

Estos autores contribuyeron igualmente: Marco R. Binelli y Ryan van Dommelen.

Materiales Complejos, Departamento de Materiales, ETH Zürich, 8093, Zürich, Suiza

Marco R. Binelli, Fergal B. Coulter, Gilberto Siqueira y André R. Studart

Laboratorio de transductores blandos, EPFL Lausana, 2000, Neuchâtel, Suiza

Ryan van Dommelen, Jaemin Kim, Rubaiyet I. Haque y Danick Briand

Laboratorio de celulosa y materiales de madera, Empa, 8600, Dübendorf, Suiza

Yannick Nagel y Gilberto Siqueira

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Los experimentos fueron diseñados por DB, ARS, GS, RIH, JK, YN, RD y MRB. MRB e YN realizaron contribuciones al desarrollo de tintas compuestas de silicona y la impresión de los sensores y el prototipo de plantilla. FC lideró el desarrollo de la infraestructura de impresión 3D. RD, RIH y JK contribuyeron al diseño del sensor, la disposición de la plantilla y la caracterización de los sensores. ARS, GS y DB supervisaron la investigación y brindaron asistencia experimental. El artículo principal y la información de respaldo, incluidas todas las figuras, fueron coescritos y preparados por MRB y RD. Todos los autores discutieron los resultados, las conclusiones y revisaron el manuscrito en todas las etapas.

Correspondencia a Gilberto Siqueira, André R. Studart o Danick Briand.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Binelli, MR, van Dommelen, R., Nagel, Y. et al. Fabricación digital de calzado personalizado con sensores integrados. Informe científico 13, 1962 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29261-0

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Recibido: 15 de diciembre de 2022

Aceptado: 01 de febrero de 2023

Publicado: 03 de febrero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29261-0

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