Fabricação digital de calçado personalizado com sensores embarcados

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 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 de forma aditiva. Enquanto a paleta de materiais para manufatura aditiva continua a se expandir, a integração de materiais, projetos e métodos de fabricação digital em um fluxo de trabalho unificado continua sendo um desafio. Neste trabalho, uma plataforma de impressão 3D é proposta para a fabricação integrada de soft wearables à base de silicone com sensores piezoresistivos embutidos. Tintas à base de silicone contendo nanocristais de celulose e/ou cargas de negro de fumo foram minuciosamente projetadas e usadas 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 do sapato personalizada pelo 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 uma rápida adaptação do layout do sensor para atender às necessidades específicas do usuário e, assim, fabricar palmilhas aprimoradas em várias iterações rápidas. Os materiais e o fluxo de trabalho desenvolvidos permitem uma nova geração de dispositivos eletrônicos totalmente impressos em 3D para monitoramento de saúde.

Os padrões na área da saúde estão melhorando continuamente à medida que a demanda por monitoramento de saúde mais preciso e personalizado continua a crescer1,2,3,4,5,6,7. Essa demanda não vem apenas do setor médico, buscando atender necessidades estritamente clínicas, mas também de atletas e esportistas que desejam conhecer melhor seu estado de saúde e condição física3,8. Para resolver isso, estão sendo desenvolvidos sistemas de detecção personalizados e vestíveis para fornecer métricas de saúde fisiológica por um período prolongado1 sem sacrificar o conforto do usuário9,10. Uma aplicação alvo para o 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 realizar wearables de monitoramento de marcha1,9, existem poucas soluções completas que podem ser facilmente adaptadas ao usuário. Além disso, o padrão-ouro em medições de movimento de marcha continua a depender de instrumentação estacionária10,15, que não pode ser usada para monitoramento de vida livre. Nesse contexto, os sensores inerciais têm se mostrado promissores como uma 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 atraente para medir a marcha de forma confiável10,18, ao mesmo tempo em que oferecem alto grau de conforto para o usuário. Como podem ser inseridas de maneira fácil e não intrusiva em um sapato, as palmilhas são candidatos ideais para o monitoramento do movimento da marcha. A adaptação da forma, 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 fabricação aberto, para o qual diferentes conceitos foram propostos. Até agora, vários sistemas inteligentes de detecção plantar elastoméricos foram desenvolvidos com mecanismos de detecção mecânicos integrados, incluindo sensores capacitivos21,22, piezoresistivos23, resistores sensíveis à força24 e triboelétricos25,26 de pressão. Esses sistemas integrados foram fabricados usando fabricação bobina a bobina27, indução a laser28 ou fabricação em sala limpa29. Apesar desses desenvolvimentos atraentes, as abordagens atuais ainda dependem de fluxos de trabalho de fabricação convencionais que não podem atender à crescente demanda por digitalização e personalização.