Berta Sándor
A cipőben mérik a talpnyomást a 3D-nyomtatású talpbetétek
Az ETH Zürich, az Empa és az EPFL kutatói olyan 3D-nyomtatóval készített talpbetéteket fejlesztettek, amelyek beépített érzékelőkkel lehetővé teszik a talp nyomásának mérését a cipőben gyakorlatilag bármilyen tevékenység során. Ez egyaránt segít a sportolóknak és a betegeknek a teljesítményük és a terápiás fejlődésük meghatározásában.
Az élsportban néha másodpercek töredéke dönt győzelem és vereség között. A futók a teljesítményük optimalizálása érdekében személyre szabott talpbetéteket használnak, de a mozgásszervi fájdalmakkal küzdő emberek is a talpbetétekhez fordulnak panaszaik leküzdésére. Az ilyen talpbetétek pontos illesztéséhez a szakembereknek először el kell készíteniük a lábak nyomásprofilját. Ehhez a sportolóknak vagy a betegeknek mezítláb kell járniuk nyomásérzékeny szőnyegeken, ahol egyéni lábnyomot hagynak maguk után. Ezután az ortopéd orvosok e nyomásprofil alapján kézzel készítik el az egyénre szabott talpbetéteket.
Az optimalizálás és a beállítások azonban időigényesek. További hátrány, hogy a nyomásérzékeny szőnyegek csak korlátozott térben teszik lehetővé a méréseket, edzés vagy szabadtéri tevékenység közben nem. Most azonban az ETH Zürich, az Empa és az EPFL kutatócsoportjának találmánya jelentősen javíthat a helyzeten: a tudósok 3D-nyomtatással testre szabott, integrált nyomásérzékelőkkel ellátott talpbetétet állítottak elő. Ez lehetővé teszi, hogy a különböző tevékenységek során közvetlenül a cipőben mérhető legyen a talp nyomása. "A nyomásmintákból meg lehet állapítani, hogy valaki gyalogol, fut, lépcsőt mászik vagy akár nehéz terhet cipel a hátán. Ekkor a nyomás például inkább a sarok felé tolódik" - magyarázta Gilberto Siqueira, a társprojekt vezetője, az Empa és az ETH Zürich Komplex Anyagok Laboratóriumának vezető asszisztense.
Nem csupán a talpbetétek használata, hanem gyártása is egyszerű. A nyomtatáshoz a kutatók különböző tintákat használnak, amelyeknek a receptúráját kifejezetten erre az alkalmazásra fejlesztették ki. Az anyagtudósok szilikon és cellulóz nanorészecskék keverékét használják a talpbetét alapjául. Erre az első rétegre ezüsttartalmú vezető tintával nyomtatják rá a vezetősávokat, majd ezekre egyes helyeken - koromtartalmú tintával - a szenzorokat. Az érzékelők eloszlása nem véletlenszerű: pontosan ott helyezik el azokat, ahol a talp nyomása a legerősebb. A vezetők és a szenzorok védelmére a szakemberek egy másik szilikonréteggel fedik be őket.
Az egyik kezdeti nehézség az volt, hogy jó tapadást érjenek el a különböző anyagrétegek között. A kutatók ezért a szilikonrétegek felületét forró plazmával kezelték. Az érzékelők úgynevezett piezoelemek, amelyek a mechanikai nyomást elektromos jelekké alakítják. Normál- és nyíróerőt mérnek. A szakértők egy interfészt is beépítettek a talpba a generált adatok kiolvasásához. A tesztek azt mutatták a kutatócsoport tagjainak, hogy az additív módon előállított talpbetét jól működik. "Így az adatelemzéssel tulajdonképpen különböző tevékenységeket tudunk azonosítani attól függően, hogy mely érzékelők reagáltak és milyen erősen" - ecsetelte Gilberto Siqueira.
A projektvezetőnek és a kollégáinak még kábeles kapcsolatra van szükségük az adatok kiolvasásához, amihez egy érintkezőt szereltek fel a talpbetét oldalára. A következő fejlesztési lépések egyike a vezeték nélküli kapcsolat megteremtése lesz. "Eddig azonban nem az adatok kiolvasása állt a munkánk középpontjában" - hangsúlyozta a projekt vezetője.
Egy ilyen 3D-nyomtatott, beépített érzékelőkkel ellátott talpbetétet a jövőben a sportolóknál vagy a fizikoterápiában használhatnának, az edzés vagy a terápia előrehaladásának mérésére. A mérési adatok alapján aztán az edzéstervek kiigazíthatók és a 3D-nyomtatással különböző kemény és puha zónákkal rendelkező, tartós cipőbetétek készíthetők. Bár az utóbbiak fejlesztésében Siqueira nagy piaci potenciált látott, különösen az élsportban, a csapata még nem tett lépéseket a kereskedelmi forgalomba hozatal felé.
A projektet Danick Briand, az EPFL kutatója koordinálta és az ő csoportja járult hozzá az érzékelőkhöz, míg az ETH Zürich és az Empa munkatársai fejlesztették ki a szükséges tintákat és a nyomtatási platformot. A lausanne-i CHUV egyetemi kórház és a Numo ortopédiai vállalat szakemberei szintén részt vettek a programban.
Az élsportban néha másodpercek töredéke dönt győzelem és vereség között. A futók a teljesítményük optimalizálása érdekében személyre szabott talpbetéteket használnak, de a mozgásszervi fájdalmakkal küzdő emberek is a talpbetétekhez fordulnak panaszaik leküzdésére. Az ilyen talpbetétek pontos illesztéséhez a szakembereknek először el kell készíteniük a lábak nyomásprofilját. Ehhez a sportolóknak vagy a betegeknek mezítláb kell járniuk nyomásérzékeny szőnyegeken, ahol egyéni lábnyomot hagynak maguk után. Ezután az ortopéd orvosok e nyomásprofil alapján kézzel készítik el az egyénre szabott talpbetéteket.
Az optimalizálás és a beállítások azonban időigényesek. További hátrány, hogy a nyomásérzékeny szőnyegek csak korlátozott térben teszik lehetővé a méréseket, edzés vagy szabadtéri tevékenység közben nem. Most azonban az ETH Zürich, az Empa és az EPFL kutatócsoportjának találmánya jelentősen javíthat a helyzeten: a tudósok 3D-nyomtatással testre szabott, integrált nyomásérzékelőkkel ellátott talpbetétet állítottak elő. Ez lehetővé teszi, hogy a különböző tevékenységek során közvetlenül a cipőben mérhető legyen a talp nyomása. "A nyomásmintákból meg lehet állapítani, hogy valaki gyalogol, fut, lépcsőt mászik vagy akár nehéz terhet cipel a hátán. Ekkor a nyomás például inkább a sarok felé tolódik" - magyarázta Gilberto Siqueira, a társprojekt vezetője, az Empa és az ETH Zürich Komplex Anyagok Laboratóriumának vezető asszisztense.
Nem csupán a talpbetétek használata, hanem gyártása is egyszerű. A nyomtatáshoz a kutatók különböző tintákat használnak, amelyeknek a receptúráját kifejezetten erre az alkalmazásra fejlesztették ki. Az anyagtudósok szilikon és cellulóz nanorészecskék keverékét használják a talpbetét alapjául. Erre az első rétegre ezüsttartalmú vezető tintával nyomtatják rá a vezetősávokat, majd ezekre egyes helyeken - koromtartalmú tintával - a szenzorokat. Az érzékelők eloszlása nem véletlenszerű: pontosan ott helyezik el azokat, ahol a talp nyomása a legerősebb. A vezetők és a szenzorok védelmére a szakemberek egy másik szilikonréteggel fedik be őket.
Az egyik kezdeti nehézség az volt, hogy jó tapadást érjenek el a különböző anyagrétegek között. A kutatók ezért a szilikonrétegek felületét forró plazmával kezelték. Az érzékelők úgynevezett piezoelemek, amelyek a mechanikai nyomást elektromos jelekké alakítják. Normál- és nyíróerőt mérnek. A szakértők egy interfészt is beépítettek a talpba a generált adatok kiolvasásához. A tesztek azt mutatták a kutatócsoport tagjainak, hogy az additív módon előállított talpbetét jól működik. "Így az adatelemzéssel tulajdonképpen különböző tevékenységeket tudunk azonosítani attól függően, hogy mely érzékelők reagáltak és milyen erősen" - ecsetelte Gilberto Siqueira.
A projektvezetőnek és a kollégáinak még kábeles kapcsolatra van szükségük az adatok kiolvasásához, amihez egy érintkezőt szereltek fel a talpbetét oldalára. A következő fejlesztési lépések egyike a vezeték nélküli kapcsolat megteremtése lesz. "Eddig azonban nem az adatok kiolvasása állt a munkánk középpontjában" - hangsúlyozta a projekt vezetője.
Egy ilyen 3D-nyomtatott, beépített érzékelőkkel ellátott talpbetétet a jövőben a sportolóknál vagy a fizikoterápiában használhatnának, az edzés vagy a terápia előrehaladásának mérésére. A mérési adatok alapján aztán az edzéstervek kiigazíthatók és a 3D-nyomtatással különböző kemény és puha zónákkal rendelkező, tartós cipőbetétek készíthetők. Bár az utóbbiak fejlesztésében Siqueira nagy piaci potenciált látott, különösen az élsportban, a csapata még nem tett lépéseket a kereskedelmi forgalomba hozatal felé.
A projektet Danick Briand, az EPFL kutatója koordinálta és az ő csoportja járult hozzá az érzékelőkhöz, míg az ETH Zürich és az Empa munkatársai fejlesztették ki a szükséges tintákat és a nyomtatási platformot. A lausanne-i CHUV egyetemi kórház és a Numo ortopédiai vállalat szakemberei szintén részt vettek a programban.