Aufbau eines besseren Gangs

Ein Prototyp eines einteiligen, kostengünstigen Prothesenfußes aus Nylon.

Ein Prototyp eines einteiligen, kostengünstigen Prothesenfußes aus Nylon.Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Fortschrittliche Prothetik bietet Amputierten vielfältige bionische Möglichkeiten. Aber sie können Zehntausende von Dollar kosten, was sie für viele unerreichbar macht.

Jetzt haben MIT-Ingenieure einen einfachen, kostengünstigen, anpassbaren künstlichen Fuß entwickelt, der, obwohl er keine Elektronik oder bewegliche Teile enthält, einen ähnlichen Gang wie eine nicht behinderte Person ermöglicht. Die Forscher schätzen, dass die Prothese, wenn sie in großem Umfang hergestellt wird, eine Größenordnung weniger kosten könnte als bestehende Produkte.



Im Jahr 2012, kurz nachdem Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, an die Fakultät für Maschinenbau kam, wurde er vom Prothesenhersteller Jaipur Foot angesprochen, der jedes Jahr Tausende seiner Prothesenfüße an Benutzer in Indien und anderswo spendet. Sie stellen diesen Fuß seit über 40 Jahren her, und er ist robust, sodass Landwirte ihn barfuß im Freien verwenden können, und er ist relativ lebensecht, sagt Winter. Aber es ist ziemlich schwer und die interne Struktur wird komplett von Hand gefertigt, was zu großen Schwankungen in der Produktqualität führt. Jaipur Foot bat Winter, einen besseren, leichteren Fuß zu entwickeln, der kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann.

Beim Überdenken des typischen Fußdesigns stellte Winters Team unter der Leitung von Kathryn Olesnavage ’12, SM ’14, PhD ’18 fest, dass Amputierte, die ein Glied unterhalb des Knies verloren haben, nicht spüren können, was ein Prothesenfuß tut. Für einen Benutzer ist der Fuß einfach eine Art Black Box, sagt Winter. Es ist nicht mit ihrem Nervensystem verbunden und sie interagieren nicht eng mit dem Fuß.

Anstatt zu versuchen, die Bewegungen eines gesunden Fußes nachzubilden, konzentrierten sie sich auf die Bewegungen des Unterschenkels.

Nachdem sie ein mathematisches Modell entwickelt hatten, das die Steifheit, mögliche Bewegung und Form der Prothese beschreibt, schlossen sie Daten über Bodenreaktionskräfte ein, die von nicht behinderten Gehern gesammelt wurden, die sie zusammenfassen konnten, um vorherzusagen, wie sich der Unterschenkel eines Benutzers bei einem einzigen Schritt bewegen würde. Dann stimmten sie die Steifheit und Geometrie des simulierten Fußes ab, um eine Bewegungsbahn des Unterschenkels zu erzeugen, die der Bewegung eines Nichtbehinderten ähnelt.

Um eine ideale Fußform zu bestimmen, simulierte die Gruppe eine Vielzahl von Füßen und eliminierte die Formen, die im Modell nicht annähernd einem nicht behinderten Gang entsprechen. Dann mischten und passten sie Merkmale der verbleibenden Formen an, um zu einer zu gelangen, die die natürlichste Bewegungsbahn des Unterschenkels erzeugte. Das Ergebnis sieht ähnlich aus wie die Seitenansicht einer Rodel.

Olesnavage und Winter stellten fest, dass die Prothese, wenn sie die Steifheit und Form entsprechend dem Körpergewicht und der Größe einer Person variierten, auch Beinbewegungen erzeugen würde, die dem Gehen ohne Behinderung ähneln. Um diese Idee zu testen, stellten sie mehrere Füße für Freiwillige in Indien aus maschinell bearbeitetem Nylon her, einem Material, das aufgrund seiner Energiespeicherfähigkeit ausgewählt wurde.

Was cool ist, ist, dass sich das nicht wie ein normaler Fuß verhält – es gibt kein Sprunggelenk oder Mittelfußgelenk, sagt Winter. Es ist nur eine große Struktur, und alles, was uns interessiert, ist, wie sich der Unterschenkel durch den Raum bewegt. Die meisten Tests wurden drinnen durchgeführt, aber ein Typ rannte draußen, es gefiel ihm so gut. Es bringt eine Feder in Ihren Schritt.

Der italienische Wanderschuhhersteller Vibram entwirft eine naturgetreue Hülle für die Prothese, die ihr auch auf schlammigen oder rutschigen Oberflächen Halt gibt. Die Forscher planen, die Prothesen und Abdeckungen im nächsten Sommer an Freiwilligen in Indien zu testen.

Dieses Modell ist möglicherweise bahnbrechend für die Branche, sagt Winter, da wir den Fuß vollständig quantifizieren und individuell einstellen und billigere Materialien verwenden können.

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