En fodprotese, der tackler hårdt terræn

At tage på en vandresti eller en brostensbelagt gade med et benprotese er et risikabelt forslag - det er muligt, men selv i relativt let terræn, mennesker, der bruger proteser til at gå, er mere tilbøjelige til at falde end andre. Nu, Stanford Universitys mekaniske ingeniører har udviklet en mere stabil benprotese - og en bedre måde at designe dem på - som kunne gøre udfordrende terræn mere overskueligt for folk, der har mistet et underben.

Hjørnestenen i det nye design er en slags stativfod, der reagerer på ujævnt terræn ved aktivt at flytte trykket mellem tre forskellige kontaktpunkter. Lige så vigtigt som foden er et redskab, holdet udviklede til hurtigt at efterligne og forbedre deres prototyper.

"Protetiske emulatorer giver os mulighed for at prøve mange forskellige designs uden omkostningerne ved ny hardware, " sagde Steven Collins, en lektor i maskinteknik og medlem af Stanford Bio-X. "I bund og grund, vi kan prøve enhver form for skøre designideer, vi måtte have og se, hvordan folk reagerer på dem, " han sagde, uden at skulle bygge hver idé separat, en indsats, der kan tage måneder eller år for hvert forskellige design.

Kandidatstuderende Vincent Chiu, postdoc-forsker Alexandra Voloshina og Collins beskriver konstruktionen og de første test af deres protesemulator i et papir offentliggjort i IEEE-transaktioner på biomedicinsk teknik .

Tilpasning til terrænet

Omkring en halv million mennesker i USA har mistet en underekstremitet, med effekter, der rækker ud over blot at gøre det sværere at bevæge sig rundt. Mennesker med en benamputation har fem gange større risiko for at falde i løbet af et år, hvilket kan være medvirkende til, hvorfor de også er mindre socialt engagerede. En bedre protese kan forbedre ikke kun mobiliteten, men også den generelle livskvalitet.

Et område af særlig interesse er at lave protetiske lemmer, der bedre kan håndtere groft underlag. Løsningen, Chiu, Voloshina og Collins tænkte, kan være et stativ med en bagudvendt hæl og to fremadvendte tæer. Udstyret med positionssensorer og motorer, foden kunne justere sin orientering for at reagere på varierende terræn, meget som en person med en intakt fod kunne bevæge deres tæer og bøje deres ankler for at kompensere, mens de går over ujævnt underlag.

Men ingeniørerne vidste, at det ville være svært at perfektionere designet – selv med simple designs, en konventionel tilgang kan tage år eller mere. "Først skal du komme med en idé og derefter prototype den, og så laver du en flot bearbejdet version, " sagde Chiu. "Det kan tage flere år, og det meste af tiden finder man ud af, at det faktisk ikke virker."

Accelererende design

Chiu og hans team troede, at de kunne fremskynde processen ved at udvikle en emulator, som vender designprocessen på hovedet. I stedet for at bygge en protese, kunne nogen teste i den virkelige verden, holdet byggede i stedet en grundlæggende stativfod, derefter tilsluttet den til kraftfulde off-board motorer og computersystemer, der styrer, hvordan foden reagerer, når en bruger bevæger sig over al slags terræn.

Derved, holdet kan sætte deres designfokus på, hvordan protesen skal fungere – hvor hårdt en tå skal skubbe af, mens man går, hvor fjedrende hælen skal være og så videre – uden at skulle bekymre dig om, hvordan du gør enheden let og billig på samme tid.

Hidtil har teamet rapporteret resultater fra arbejde med en deltager, en 60-årig mand, der mistede sit ben under knæet på grund af diabetes, og de tidlige resultater er lovende - hvilket gør holdet håbefuldt, at de kan tage disse resultater og forvandle dem til mere dygtige proteser.

"En af de ting, vi er glade for at gøre, er at omsætte det, vi finder i laboratoriet, til letvægts og lavt strømforbrug og derfor billige enheder, der kan testes uden for laboratoriet, " sagde Collins. "Og hvis det går godt, vi vil gerne være med til at gøre dette til et produkt, som folk kan bruge i hverdagen."