Pé protético de baixo custo que imita o caminhar natural | Meso Consultoria
Miguel Silva Inovações & Tecnologias, Notícias, Novos Lançamentos
2 de agosto de 2021 Miguel Silva
O novo design pode ser ajustado ao peso e tamanho corporal de um indivíduo.
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 acionados 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, especialmente em países em desenvolvimento.
Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram um pé protético simples, de baixo custo e passivo que eles podem adaptar a um indivíduo. Dado o peso corporal e o tamanho do usuário, os pesquisadores podem ajustar a forma e a rigidez do pé protético, de modo que o andar do usuário seja semelhante ao de caminhar natural. Eles estimam que o pé, se fabricado em larga escala, pode custar uma ordem de magnitude menor 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, com base no design mecânico do pé protético.
"[Caminhar] é algo muito importante para nós, humanos, e para este segmento da população que sofreu uma amputação de membros inferiores, simplesmente não há teoria para dizermos: 'aqui está exatamente como devemos projetar a rigidez e a geometria de um pé para você, para que você ande como você deseja'", diz Amos Winter, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "Agora podemos fazer isso. E isso é superpoderoso."
Winter e a ex-estudante de graduação Kathryn Olesnavage relatam detalhes dessa estrutura nas Transações em Sistemas Neurais e Reabilitação do IEEE. Eles publicaram seus resultados em sua nova prótese de pé no ASME Journal of Mechanical Design, com o estudante de graduação Victor Prost e o engenheiro de pesquisa William Brett Johnson.
Seguindo a marcha
Em 2012, logo após Winter ingressar no 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, voltada 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 vêm fazendo este pé há mais de 40 anos e é robusto, então os fazendeiros podem usá-lo descalço ao ar livre, e é relativamente real, então se as pessoas vão a uma mesquita e querem orar descalças, é provável que o façam não ser estigmatizado ", diz Winter. "Mas é muito pesado e a estrutura interna é feita à mão, o que cria uma grande variação na qualidade do produto."
A organização perguntou a Winter se ele poderia projetar um pé melhor e mais leve que pudesse 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 do pé e o design mecânico e a geometria? Como devemos ajustar tudo isso para fazer uma pessoa andar da maneira que queremos que ela ande? '", Lembra Winter.
A equipe, liderada 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 fez uma abordagem diferente, com base em sua percepção de que amputados que perderam um membro abaixo do joelho não podem sentir o que um pé protético faz.
"Um dos insights críticos que tivemos foi que, para um usuário, o pé é como uma espécie de caixa preta – não está conectado ao sistema nervoso e eles não estão interagindo intimamente com o pé", diz Winter.
Em vez de projetar uma prótese de pé para replicar os movimentos de um pé sem deficiência, ele e Olesnavage procuraram projetar uma prótese de pé que produziria movimentos da perna semelhantes aos da perna de uma pessoa sã à medida que caminham.
"Isso realmente abriu o espaço de design para nós", diz Winter. "Podemos mudar o pé drasticamente, contanto que façamos a parte inferior da perna fazer o que queremos, em termos de cinemática e carga, porque é isso que o usuário percebe."
Com o andar em mente, a equipe procurou maneiras de relacionar como a mecânica do pé se relaciona com 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. Com cada etapa, os pesquisadores anteriores registraram as forças de reação do solo e a mudança do centro de pressão experimentada pelo pé de um caminhante enquanto balançava do calcanhar aos dedos do pé, junto com a posição e a trajetória da perna.
Winter e seus colegas desenvolveram um modelo matemático de um pé protético simples e passivo, que descreve a rigidez, o movimento possível e a forma do pé. Eles conectaram no modelo as forças de reação do solo do conjunto de dados, que eles poderiam resumir para prever como a parte inferior da perna de um usuário se traduziria em uma única etapa.
Com seu modelo, eles então ajustaram a rigidez e a geometria do pé protético simulado para produzir uma trajetória da perna que era próxima ao balanço de um 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 replicar exatamente o movimento da parte inferior da perna", diz Winter. "No geral, vimos que podemos chegar muito perto do movimento e carregamento de um corpo normal, 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, enquanto ainda produzia uma trajetória de perna muito semelhante à de caminhantes sem deficiência.
Para localizar a forma ideal do pé, o grupo executou um "algoritmo genético" – uma técnica comum usada para eliminar opções desfavoráveis, em busca dos designs mais ideais.
"Assim como uma população de animais, criamos uma população de pés, todos com diferentes variáveis ​​para fazer diferentes formas de curvas", diz Winter. "Nós os carregamos na simulação e calculamos o erro de trajetória da perna. Os que tinham 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 curva de Bézier ampla 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, ao ajustar a rigidez e a forma desta curva de Bézier ao peso e ao tamanho do corpo de uma pessoa, a equipe deveria ser capaz de produzir uma prótese de pé que gere movimentos das pernas semelhantes aos de uma pessoa normal. Para testar essa ideia, os pesquisadores produziram vários pés para voluntários na Índia. As próteses foram confeccionadas em náilon usinado, material escolhido por sua capacidade de armazenamento de energia.
"O que é legal é que 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 se move no espaço", diz Winter. "A maior parte dos testes foi feita em ambientes fechados, mas um cara correu do lado de fora, gostou muito. Isso coloca uma mola em seu passo.''
No futuro, a equipe fez parceria com a Vibram, uma empresa italiana que fabrica solas de borracha – botas de caminhada flexíveis e tênis de corrida que parecem pés. A empresa está projetando uma cobertura realística para a prótese da equipe, que também dará ao pé um pouco de 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 US$ 10.000, feito de fibra de carbono. Imagine que você vá ao seu protesista, eles fazem algumas medições, nos enviam de volta e nós enviamos 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."