Le solette stampate in 3D misurano la pressione della suola direttamente nella scarpa

Nello sport di alto livello, a volte sono le frazioni di secondo a decidere tra la vittoria e la sconfitta. Per ottimizzare le loro prestazioni, gli atleti utilizzano, tra l'altro, plantari su misura. Ma anche le persone affette da dolori muscolo-scheletrici si rivolgono ai plantari per combattere i loro disturbi.

Per applicare con precisione questi plantari, gli specialisti devono prima creare un profilo di pressione del piede. A tal fine, gli atleti o i pazienti devono camminare a piedi nudi su tappeti sensibili alla pressione, dove lasciano la loro impronta individuale. Sulla base di questo profilo di pressione, gli ortopedici creano a mano dei plantari individuali. Tuttavia, le ottimizzazioni e le regolazioni richiedono tempo. Un altro svantaggio: i tappetini sensibili alla pressione consentono di effettuare misurazioni solo in uno spazio limitato, ma non durante l'allenamento o le attività all'aperto.

Ora, però, un'invenzione di un gruppo di ricerca del Politecnico di Zurigo, dell'Empa e dell'EPFL potrebbe migliorare notevolmente la situazione: I ricercatori hanno utilizzato la stampa 3D per produrre una soletta personalizzata con sensori di pressione integrati. In questo modo è possibile misurare la pressione sulla pianta del piede direttamente nella scarpa durante le varie attività.

"Dai modelli di pressione si può capire se una persona sta camminando, correndo, salendo le scale o anche portando un carico pesante sulla schiena. Allora la pressione si sposta maggiormente sul tallone", spiega il co-progettista Gilberto Siqueira, assistente senior presso l'Empa e il Laboratorio per i materiali complessi del Politecnico di Zurigo. I noiosi test del materasso appartengono così al passato. L'invenzione è stata recentemente presentata sulla rivista Scientific Reports.

Un dispositivo, più inchiostri

Tuttavia, non solo l'uso, ma anche la produzione delle solette è semplice. Insieme ai sensori e ai conduttori integrati, vengono prodotti in un solo passaggio e solo su una stampante 3D, un cosiddetto estrusore. Per la stampa, i ricercatori utilizzano diversi inchiostri le cui formule sono state sviluppate appositamente per questa applicazione. Per esempio, gli scienziati dei materiali utilizzano una miscela di silicone e nanoparticelle di cellulosa come base della soletta.

Su questo primo strato vengono poi stampate le tracce conduttive con un inchiostro conduttivo contenente argento, e su queste in singoli punti - con inchiostro contenente fuliggine - i sensori. La distribuzione dei sensori non è casuale: sono posizionati esattamente dove la pressione sulla pianta del piede è più forte. Per proteggere i conduttori e i sensori, i ricercatori li ricoprono con un altro strato di silicone.

Una difficoltà iniziale è stata quella di ottenere una buona adesione tra i diversi strati di materiale. I ricercatori hanno quindi trattato la superficie degli strati di silicone con un plasma caldo.

I sensori sono i cosiddetti elementi piezoelettrici che convertono la pressione meccanica in segnali elettrici. Misurano le forze normali e di taglio. I ricercatori hanno anche integrato nella suola un'interfaccia per la lettura dei dati generati.

Presto sarà possibile leggere i dati di corsa in modalità wireless

I test hanno dimostrato che l'inserto prodotto in modo additivo funziona bene. "Con l'analisi dei dati, possiamo identificare diverse attività a seconda di quali sensori hanno risposto e con quale intensità", spiega il responsabile del progetto Siqueira.

Al momento, lui e i suoi colleghi hanno ancora bisogno di una connessione via cavo per leggere i dati. Hanno installato un contatto sul lato dell'inserto. Una delle prossime fasi di sviluppo sarà la creazione di una connessione wireless. "Tuttavia, la lettura dei dati non è stata finora l'obiettivo del nostro lavoro", sottolinea il ricercatore.

Queste solette stampate in 3D con sensori integrati potrebbero essere utilizzate in futuro dagli atleti o in fisioterapia, ad esempio per misurare i progressi dell'allenamento o della terapia. Sulla base dei dati di misurazione, è possibile adattare i piani di allenamento e fabbricare, con la stampa 3D, solette permanenti con diverse zone dure e morbide.

Sebbene Siqueira ritenga che il potenziale di mercato per il loro sviluppo sia grande, soprattutto nello sport d'élite, il suo team non ha ancora compiuto alcun passo verso la commercializzazione.

Allo sviluppo della soletta hanno partecipato ricercatori dell'Empa, del Politecnico di Zurigo e dell'EPFL. Il ricercatore dell'EPFL Danick Briand ha coordinato il progetto e il suo gruppo ha contribuito con i sensori, mentre i ricercatori dell'ETH e dell'Empa hanno sviluppato gli inchiostri e la piattaforma di stampa. Al progetto hanno partecipato anche l'ospedale universitario CHUV di Losanna e l'azienda ortopedica Numo. Il progetto è stato finanziato nell'ambito della "Strategic Focus Area" Advanced Manufacturing del Settore ETH.

Immagine: Empa