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  • Pé protético de baixo custo que imita o caminhar natural

    Os engenheiros do MIT desenvolveram um simples, baixo custo, pé protético passivo que eles podem ajustar a um indivíduo. Crédito:Massachusetts Institute of Technology

    A tecnologia de próteses de membros avançou aos trancos e barrancos, dando aos amputados uma gama de opções biônicas, incluindo joelhos artificiais controlados por microchips, pés carregados de sensores impulsionados por inteligência artificial, e mãos robóticas que um usuário pode manipular com sua mente. Mas esses projetos de alta tecnologia podem custar dezenas de milhares de dólares, tornando-os inatingíveis para muitos amputados, particularmente nos países em desenvolvimento.

    Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um simples, baixo custo, pé protético passivo que eles podem ajustar a um indivíduo. Dado o peso e o tamanho do corpo de um usuário, os pesquisadores podem ajustar a forma e a rigidez do pé protético, de forma que o andar do usuário seja semelhante ao de uma pessoa sã. Eles estimam que o pé, se fabricado em grande escala, poderia custar uma ordem de magnitude menos do que os produtos existentes.

    As próteses personalizadas são baseadas em uma estrutura de design desenvolvida pelos pesquisadores, que fornece uma maneira quantitativa de prever o desempenho biomecânico de um usuário, ou comportamento de caminhada, baseado no desenho mecânico do pé protético.

    "[Caminhar] é algo muito importante para nós, humanos, e para este segmento da população que tem uma amputação de membro inferior, simplesmente não há teoria para dizermos, 'aqui está exatamente como devemos projetar a rigidez e geometria de um pé para você, para que você ande como deseja, '"diz Amos Winter, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "Agora podemos fazer isso. E isso é superpoderoso."

    Winter e a ex-estudante Kathryn Olesnavage relatam detalhes desta estrutura em Transações do IEEE em sistemas neurais e reabilitação . Eles publicaram seus resultados em seu novo pé protético no ASME Journal of Mechanical Design, com o estudante de graduação Victor Prost e o engenheiro de pesquisa William Brett Johnson.

    Em 2012, logo depois que Winter se juntou ao corpo docente do MIT, ele foi abordado por Jaipur Foot, um fabricante de membros artificiais com sede em Jaipur, Índia. A organização fabrica uma prótese de pé passiva, voltado para amputados em países em desenvolvimento, e doa mais de 28, 000 modelos a cada ano para usuários na Índia e em outros lugares.

    "Eles fabricam este pé há mais de 40 anos, e é robusto, para que os agricultores possam usá-lo descalço ao ar livre, e é relativamente realista, então, se as pessoas vão a uma mesquita e querem orar descalças, eles provavelmente não serão estigmatizados, "Diz o inverno." Mas é bem pesado, e a estrutura interna é toda feita à mão, o que cria uma grande variação na qualidade do produto. "

    Crédito:Massachusetts Institute of Technology

    A organização perguntou a Winter se ele poderia projetar um melhor, pé mais leve que poderia ser produzido em massa a baixo custo.

    "Nesse ponto, começamos a nos perguntar, 'como devemos projetar este pé como engenheiros? Como devemos prever o desempenho, dada a rigidez, o desenho mecânico e a geometria do pé? Como devemos ajustar tudo isso para fazer uma pessoa andar da maneira que queremos que ela ande? '”, Lembra Winter.

    O time, liderado por Olesnavage, primeiro procurou uma maneira de relacionar quantitativamente as características mecânicas de uma prótese ao desempenho de caminhada de um usuário - uma relação fundamental que nunca antes tinha sido totalmente codificada.

    Embora muitos desenvolvedores de pés protéticos tenham se concentrado em replicar os movimentos de pés e tornozelos saudáveis, A equipe de Winter teve uma abordagem diferente, com base em sua constatação de que amputados que perderam um membro abaixo do joelho não podem sentir o que uma prótese de pé faz.

    "Um dos insights críticos que tivemos foi que, para um usuário, o pé é como uma caixa preta - não está conectado ao sistema nervoso, e eles não estão interagindo com o pé intimamente, "Diz o inverno.

    Em vez de projetar uma prótese de pé para replicar os movimentos de um pé saudável, ele e Olesnavage procuraram projetar uma prótese de pé que produzisse movimentos da perna semelhantes aos da perna de uma pessoa sã à medida que caminham.

    "Isso realmente abriu o espaço de design para nós, "Winter diz." Podemos mudar drasticamente o pé, contanto que façamos a parte inferior da perna fazer o que queremos, em termos de cinemática e carregamento, porque é isso que o usuário percebe. "

    Crédito:Massachusetts Institute of Technology

    Com a perna em mente, a equipe procurou maneiras de relacionar como a mecânica do pé se relaciona com a forma como a perna se move enquanto o pé está em contato com o solo. Para fazer isso, os pesquisadores consultaram um conjunto de dados existente compreendendo medições de passos dados por um andador sem deficiência com um determinado tamanho e peso corporal. A cada etapa, pesquisadores anteriores registraram as forças de reação do solo e a mudança no centro de pressão experimentada pelo pé de um caminhante enquanto balançava do calcanhar aos dedos do pé, junto com a posição e trajetória da perna.

    Winter e seus colegas desenvolveram um modelo matemático de um simples, pé protético passivo, que descreve a rigidez, movimento possível, e formato do pé. Eles conectaram no modelo as forças de reação do solo do conjunto de dados, que eles poderiam resumir para prever como a perna de um usuário se traduziria em uma única etapa.

    Com seu modelo, eles então ajustaram a rigidez e a geometria da prótese de pé simulada para produzir uma trajetória da perna que era próxima ao balanço do corpo normal - uma medida que eles consideram ser um "erro de trajetória da perna" mínimo.

    "Idealmente, ajustaríamos a rigidez e a geometria do pé perfeitamente para replicarmos exatamente o movimento da parte inferior da perna, "Diz o inverno." No geral, vimos que podemos chegar muito perto do movimento e carregamento de pessoas saudáveis, com uma estrutura passiva. "

    Evoluindo em curva

    A equipe então procurou identificar uma forma ideal para um pé protético de uma parte que fosse simples e acessível para fabricar, embora ainda produza uma trajetória de perna muito semelhante à de caminhantes saudáveis.

    Para identificar a forma ideal do pé, o grupo executou um "algoritmo genético" - uma técnica comum usada para eliminar opções desfavoráveis, em busca dos designs mais otimizados.

    Dado o peso corporal e o tamanho de um usuário, os pesquisadores podem ajustar a forma e a rigidez do pé protético, de modo que o andar do usuário seja semelhante ao de uma pessoa sã. Crédito:Massachusetts Institute of Technology

    "Assim como uma população de animais, fizemos uma população de pés, todos com variáveis ​​diferentes para fazer formas de curvas diferentes, "Diz o inverno." Nós os carregamos na simulação e calculamos o erro de trajetória da perna. Aqueles que tiveram um erro alto, nós matamos. "

    Aqueles que tiveram um erro menor, os pesquisadores ainda misturaram e combinaram com outras formas, para evoluir a população em direção a uma forma ideal, com o menor erro possível de trajetória da perna. A equipe usou uma ampla curva de Bézier para descrever a forma do pé usando apenas algumas variáveis ​​selecionadas, que eram fáceis de variar no algoritmo genético. O formato do pé resultante parecia semelhante à vista lateral de um tobogã.

    Olesnavage e Winter descobriram que, ajustando a rigidez e a forma desta curva de Bézier ao peso e tamanho do corpo de uma pessoa, a equipe deve ser capaz de produzir uma prótese de pé que gere movimentos das pernas semelhantes ao de uma pessoa normal. Para testar essa ideia, os pesquisadores produziram vários pés para voluntários na Índia. As próteses eram feitas de náilon usinado, um material escolhido por sua capacidade de armazenamento de energia.

    "O que é legal é, isso não se comporta como um pé normal - não há tornozelo ou articulação metatarsal - é apenas uma grande estrutura, e tudo o que nos preocupa é como a parte inferior da perna está se movendo no espaço, "Diz o inverno." A maioria dos testes foi feita em ambientes fechados, mas um cara correu para fora, ele gostou muito. Isso dá um impulso ao seu passo. "

    Daqui para frente, a equipe fez parceria com a Vibram, uma empresa italiana que fabrica solados de borracha - botas de caminhada flexíveis e tênis de corrida que parecem pés. A empresa está projetando uma cobertura semelhante à vida para a prótese da equipe, isso também dará ao pé alguma tração em superfícies lamacentas ou escorregadias. Os pesquisadores planejam testar as próteses e coberturas em voluntários na Índia nesta primavera.

    Winter diz que o design simples do pé protético também pode ser uma opção muito mais acessível e durável para populações como soldados que desejam retornar ao serviço ativo ou veteranos que desejam viver um estilo de vida ativo.

    "Um pé passivo comum no mercado dos EUA custará US $ 1, 000 a $ 10, 000, feito de fibra de carbono. Imagine que você vá ao seu protesista, eles tomam algumas medidas, eles os enviam de volta para nós, e mandamos de volta para você um pé de náilon personalizado por algumas centenas de dólares. Este modelo é potencialmente revolucionário para a indústria, porque podemos quantificar totalmente o pé e ajustá-lo para os indivíduos, e usar materiais mais baratos. "

    Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.




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