Fabricação digital de calçados personalizados com sensores incorporados

Sep 11, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1962 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A forte demanda clínica por tecnologias de monitoramento de saúde mais precisas e personalizadas exigiu o desenvolvimento de dispositivos vestíveis fabricados aditivamente. Embora a paleta de materiais para a fabricação aditiva continue a se expandir, a integração de materiais, designs e métodos de fabricação digital em um fluxo de trabalho unificado continua desafiadora. Neste trabalho, uma plataforma de impressão 3D é proposta para a fabricação integrada de wearables macios à base de silicone com sensores piezoresistivos incorporados. Tintas à base de silicone contendo nanocristais de celulose e/ou enchimentos de negro de fumo foram minuciosamente projetadas e utilizadas para a escrita direta com tinta de um demonstrador de palmilha de sapato com sensores encapsulados capazes de medir forças normais e de cisalhamento. Ao ajustar as propriedades do material às pressões plantares esperadas, a palmilha personalizada do paciente foi totalmente impressa em 3D à temperatura ambiente para medir as forças de marcha in-situ durante a atividade física. Além disso, a abordagem digitalizada permite a rápida adaptação do layout do sensor para atender às necessidades específicas do usuário e, assim, fabricar palmilhas aprimoradas em múltiplas iterações rápidas. Os materiais e o fluxo de trabalho desenvolvidos permitem uma nova geração de dispositivos eletrônicos totalmente impressos em 3D para monitoramento da saúde.

Os padrões nos cuidados de saúde estão a melhorar continuamente à medida que a procura por uma monitorização da saúde mais precisa e personalizada continua a crescer1,2,3,4,5,6,7. Esta procura não provém apenas do setor médico, que procura responder a necessidades estritamente clínicas, mas também de atletas e entusiastas do desporto que pretendem ter maior conhecimento do seu estado de saúde e condição física3,8. Para resolver isso, sistemas de detecção personalizados e vestíveis estão em desenvolvimento para fornecer métricas de saúde fisiológica por um período prolongado1 sem sacrificar o conforto do usuário9,10. Uma aplicação alvo para monitoramento contínuo da saúde é a análise da marcha, que pode fornecer informações sobre a saúde geral11, envelhecimento12,13, desempenho esportivo e recuperação de lesões14. Embora muitos avanços tenham sido feitos em termos de desenvolvimento de materiais e sensores para criar dispositivos vestíveis de monitoramento de marcha1,9, existem poucas soluções completas que possam ser facilmente adaptadas ao usuário. Além disso, o padrão ouro nas medições do movimento da marcha continua a depender de instrumentação estacionária10,15, que não pode ser usada para monitoramento de vida livre. Neste contexto, os sensores inerciais têm-se mostrado promissores como solução vestível16. No entanto, os protocolos de medição necessários para utilizá-los ainda estão em desenvolvimento e o monitoramento de longo prazo com dispositivos específicos do paciente ainda não foi demonstrado17.

Calçados eletrônicos em forma de meias e palmilhas com sensores integrados oferecem uma estratégia atrativa para medir a marcha de forma confiável10,18, ao mesmo tempo em que oferecem alto grau de conforto ao usuário. Como podem ser inseridas em um calçado de maneira fácil e não intrusiva, as palmilhas são candidatas ideais para monitoramento do movimento da marcha. A adaptação do formato, posição e material da palmilha também oferece a oportunidade de melhorar a marcha e prevenir maiores problemas de saúde, corrigindo a postura e melhorando a distribuição da pressão plantar14,19. Além disso, o desempenho esportivo pode ser impactado positivamente pelo uso de palmilhas com rigidez e geometria ajustáveis20. A integração de sensores em palmilhas de última geração é um desafio de fabrico em aberto, para o qual têm sido propostos diferentes conceitos. Até agora, vários sistemas elastoméricos de detecção plantar inteligentes foram desenvolvidos com mecanismos de detecção mecânica integrados, incluindo sensores de pressão capacitivos21,22, piezoresistivos23, resistores sensíveis à força24 e triboelétricos25,26. Esses sistemas integrados foram fabricados usando fabricação bobina a bobina27, indução a laser28 ou fabricação em sala limpa29. Apesar destes desenvolvimentos atraentes, as abordagens atuais ainda dependem de fluxos de trabalho de produção convencionais que não conseguem satisfazer a crescente procura de digitalização e personalização.