Одна из главных проблем протезирования — обеспечить комфортную и надёжную посадку культи в гильзе. Нагрузка здесь многомерная: давление и сдвиговые силы постоянно меняются при ходьбе, стоянии и даже небольшой смене позы. Если давление распределено неправильно, возникают потёртости, боль и риск вторичных травм.
Инженеры Университета Пердью вместе с коллегами из Университета Нотр-Дам создали решение на основе вышитых текстильных сенсоров. Они одновременно измеряют нормальные и сдвиговые силы и даже светятся, показывая уровень нагрузки в реальном времени. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Как устроена система
Сенсоры полностью вышиты на ткани. В их основе — ёмкостная структура с одним большим общим электродом сверху и четырьмя меньшими электродами внизу, расположенными по квадрантам. Когда на сенсор действует только давление, все четыре квадранта реагируют примерно одинаково. Если появляется сдвиговая нагрузка, изменения становятся несимметричными — по ним можно понять и величину, и направление силы.
Материалы простые и практичные: полиэстеровая нить сверху и серебряная проводящая нить снизу. В качестве чувствительного слоя использованы ионные гели. Вся система встраивается в текстильный чехол, который надевается внутрь гильзы протеза. Данные передаются по Bluetooth на портативное устройство, а обратная связь выводится на вышитый электролюминесцентный дисплей — например, на рукаве.
Что удалось показать
Систему протестировали с участием человека с ампутацией голени (транстибиальной). Сенсоры в реальном времени отслеживали давление и сдвиг во время повседневных движений. Конструкция модульная: электронику можно быстро подключать и отключать с помощью кнопок-защёлок.
Важное преимущество — износостойкость. Сенсоры в защитном водопроницаемом мешке выдержали более 30 полных циклов стирки в обычной домашней машине с использованием стандартного моющего средства.
«Это шаг вперёд в создании практических носимых решений для непрерывного биомеханического мониторинга у пользователей протезов нижних конечностей», — отметил руководитель работы Чи Хван Ли (Chi Hwan Lee), профессор Университета Пердью.
Почему это важно
Существующие подходы имеют существенные ограничения. Оптические системы требуют размещения электроники прямо в тесной гильзе, тензодатчики часто заставляют менять геометрию протеза, а многие решения измеряют только давление, игнорируя сдвиг. Новая текстильная платформа гибкая, стираемая, измеряет силы в нескольких направлениях и совместима с беспроводной передачей данных.
Размер, расположение и чувствительность сенсоров можно подстраивать под разные формы гильз и особенности пользователей. Разработчики уже раскрыли технологию в офисе коммерциализации Университета Пердью и планируют получить патент.
«Давления на границе культи и протеза очень сложные и многогранные, — говорит первый автор исследования Тяньхао Юй (Tianhao Yu). — Мы хотим давать пациентам максимально детальные и настраиваемые данные, чтобы протез работал как можно комфортнее в повседневной жизни».
