Produzione digitale di calzature personalizzate con sensori incorporati

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1962 (2023) Citare questo articolo

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La forte domanda clinica di tecnologie di monitoraggio sanitario più accurate e personalizzate ha richiesto lo sviluppo di dispositivi indossabili realizzati con la produzione additiva. Mentre la gamma di materiali per la produzione additiva continua ad espandersi, l’integrazione di materiali, progetti e metodi di fabbricazione digitale in un flusso di lavoro unificato rimane impegnativa. In questo lavoro viene proposta una piattaforma di stampa 3D per la fabbricazione integrata di dispositivi indossabili morbidi a base di silicone con sensori piezoresistivi incorporati. Gli inchiostri a base di silicone contenenti nanocristalli di cellulosa e/o riempitivi di nerofumo sono stati accuratamente progettati e utilizzati per la scrittura diretta con inchiostro di un dimostratore di soletta per scarpe con sensori incapsulati in grado di misurare sia le forze normali che quelle di taglio. Ottimizzando le proprietà del materiale in base alle pressioni plantari previste, la soletta della scarpa personalizzata dal paziente è stata completamente stampata in 3D a temperatura ambiente per misurare le forze dell’andatura in situ durante l’attività fisica. Inoltre, l’approccio digitalizzato consente un rapido adattamento della disposizione del sensore per soddisfare le esigenze specifiche dell’utente e quindi fabbricare solette migliorate in molteplici iterazioni rapide. I materiali e il flusso di lavoro sviluppati consentono una nuova generazione di dispositivi elettronici morbidi completamente stampati in 3D per il monitoraggio della salute.

Gli standard nel settore sanitario sono in continuo miglioramento poiché la domanda di un monitoraggio sanitario più accurato e personalizzato continua a crescere1,2,3,4,5,6,7. Questa richiesta non proviene solo dal settore medico, che cerca di rispondere a esigenze strettamente cliniche, ma anche da atleti e appassionati di sport che desiderano acquisire maggiore consapevolezza del proprio stato di salute e condizione fisica3,8. Per risolvere questo problema, sono in fase di sviluppo sistemi di rilevamento morbidi indossabili personalizzati per fornire parametri di salute fisiologica per un periodo prolungato1 senza sacrificare il comfort dell'utente9,10. Un'applicazione target per il monitoraggio continuo della salute è l'analisi dell'andatura, che può fornire informazioni sulla salute generale11, sull'invecchiamento12,13, sulle prestazioni sportive e sul recupero dagli infortuni14. Sebbene siano stati compiuti molti progressi in termini di sviluppo di materiali e sensori per realizzare dispositivi indossabili per il monitoraggio dell'andatura1,9, esistono poche soluzioni complete che possono essere facilmente adattate all'utente. Inoltre, il gold standard nelle misurazioni del movimento dell'andatura continua a fare affidamento su strumentazione stazionaria10,15, che non può essere utilizzata per il monitoraggio della vita libera. In questo contesto, i sensori inerziali si sono rivelati promettenti come soluzione indossabile16. Tuttavia, i protocolli di misurazione necessari per utilizzarli sono ancora in fase di sviluppo e il monitoraggio a lungo termine con dispositivi specifici per il paziente non è stato ancora dimostrato17.

Le calzature elettroniche sotto forma di calzini e solette con sensori integrati offrono una strategia interessante per misurare in modo affidabile l'andatura10,18, offrendo allo stesso tempo un elevato grado di comfort per l'utente. Poiché possono essere inserite in una scarpa in modo semplice e non intrusivo, le solette sono candidati ideali per il monitoraggio del movimento dell'andatura. Personalizzare la forma, la posizione e il materiale della soletta offre anche l'opportunità di migliorare l'andatura e prevenire ulteriori problemi di salute correggendo la postura e migliorando la distribuzione della pressione plantare14,19. Inoltre, le prestazioni sportive possono essere influenzate positivamente dall’uso di solette con rigidità e geometria regolabili20. L'integrazione dei sensori nelle solette all'avanguardia è una sfida produttiva aperta, per la quale sono stati proposti diversi concetti. Finora sono stati sviluppati diversi sistemi di rilevamento plantare intelligente elastomerico con meccanismi di rilevamento meccanico integrati tra cui sensori capacitivi21,22, piezoresistivi23, resistori sensibili alla forza24 e sensori di pressione triboelettrici25,26. Tali sistemi integrati sono stati realizzati utilizzando la fabbricazione reel-to-reel27, l'induzione laser28 o la fabbricazione in camera bianca29. Nonostante questi sviluppi allettanti, gli approcci attuali si basano ancora su flussi di lavoro di produzione convenzionali che non sono in grado di soddisfare la crescente domanda di digitalizzazione e personalizzazione.