蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，Empa和EPFL的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種帶有集成傳感器的3D打印鞋墊，可以在鞋子中測(cè)量鞋底的壓力，從而在任何活動(dòng)中測(cè)量鞋底的壓力。這有助于運(yùn)動(dòng)員或患者確定表現(xiàn)和治療進(jìn)展。

在精英運(yùn)動(dòng)中，幾分之一秒有時(shí)決定勝負(fù)。為了優(yōu)化他們的表現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員使用定制的鞋墊。但是肌肉骨骼疼痛的人也會(huì)轉(zhuǎn)向鞋墊來(lái)對(duì)抗他們的不適。

在專家能夠準(zhǔn)確安裝這種鞋墊之前，他們必須首先創(chuàng)建腳的壓力曲線。為此，運(yùn)動(dòng)員或患者必須赤腳走在壓敏墊上，在那里他們留下了各自的腳印。根據(jù)這種壓力曲線，骨科醫(yī)生然后手工制作定制的鞋墊。這種方法的問(wèn)題在于優(yōu)化和調(diào)整需要時(shí)間。另一個(gè)缺點(diǎn)是壓敏墊只允許在密閉空間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，而不允許在鍛煉或戶外活動(dòng)期間進(jìn)行測(cè)量。

現(xiàn)在，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、Empa和EPFL研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)發(fā)明可以極大地改善現(xiàn)狀。研究人員使用3D打印生產(chǎn)了一種帶有集成壓力傳感器的定制鞋墊，可以在各種活動(dòng)中直接測(cè)量鞋底的壓力。

“你可以從檢測(cè)到的壓力模式中判斷出是否有人在走路，跑步，爬樓梯，甚至背負(fù)重物 - 在這種情況下，壓力更多地轉(zhuǎn)移到腳后跟，”聯(lián)合項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Gilberto Siqueira解釋說(shuō)，他是Empa和ETH復(fù)雜材料實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)助理。這使得乏味的墊子測(cè)試成為過(guò)去。這項(xiàng)發(fā)明最近在《科學(xué)報(bào)告》雜志上發(fā)表。

一臺(tái)設(shè)備，多種墨水

這些鞋墊不僅易于使用，而且易于制作。它們只需一步即可生產(chǎn) - 包括集成的傳感器和導(dǎo)體 - 使用單個(gè)3D打印機(jī)，稱為擠出機(jī)。

對(duì)于印刷，研究人員使用專門為此應(yīng)用開(kāi)發(fā)的各種油墨。作為鞋墊的基礎(chǔ)，材料科學(xué)家使用有機(jī)硅和纖維素納米顆粒的混合物。

接下來(lái)，他們使用含有銀的導(dǎo)電墨水在第一層上打印導(dǎo)體。然后，他們使用含有炭黑的墨水將傳感器打印在導(dǎo)體上的個(gè)別位置。傳感器不是隨機(jī)分布的：它們被準(zhǔn)確地放置在腳底壓力最大的位置。為了保護(hù)傳感器和導(dǎo)體，研究人員在它們身上涂上了另一層硅膠。

最初的困難是在不同材料層之間實(shí)現(xiàn)良好的附著力。研究人員通過(guò)用熱等離子體處理有機(jī)硅層的表面來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

作為測(cè)量法向力和剪切力的傳感器，它們使用壓電陶瓷元件，將機(jī)械壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。此外，研究人員還在鞋底中內(nèi)置了一個(gè)接口，用于讀取生成的數(shù)據(jù)。

即將無(wú)線讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)

測(cè)試表明，增材制造的鞋墊效果很好。“因此，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，我們實(shí)際上可以根據(jù)傳感器響應(yīng)以及響應(yīng)強(qiáng)度來(lái)識(shí)別不同的活動(dòng)，”Siqueira說(shuō)。

目前，Siqueira 和他的同事仍然需要電纜連接來(lái)讀取數(shù)據(jù);為此，他們?cè)谛瑝|的側(cè)面安裝了一個(gè)觸點(diǎn)。他說(shuō)，下一個(gè)開(kāi)發(fā)步驟將是創(chuàng)建無(wú)線連接。“然而，到目前為止，讀出數(shù)據(jù)并不是我們工作的主要重點(diǎn)。

未來(lái)，帶有集成傳感器的3D打印鞋墊可以被運(yùn)動(dòng)員或物理治療使用，例如測(cè)量訓(xùn)練或治療進(jìn)展?；谶@些測(cè)量數(shù)據(jù)，可以調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃，并使用3D打印生產(chǎn)具有不同硬區(qū)和軟區(qū)的永久性鞋墊。

盡管Siqueira認(rèn)為他們的產(chǎn)品具有強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力，特別是在精英運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，但他的團(tuán)隊(duì)尚未采取任何商業(yè)化措施。