Bygga en bättre gång

En prototyp av en endelad, billig fotprotes gjord av nylon. Med tillstånd av forskarna

Avancerad protetik erbjuder amputerade ett brett utbud av bioniska alternativ. Men de kan kosta tiotusentals dollar, vilket gör dem ouppnåeliga för många.

Nu har MIT-ingenjörer utvecklat en enkel, billig, anpassningsbar konstgjord fot som, även om den inte har någon elektronik eller rörliga delar, ger en gång som liknar den för en arbetsför person. Forskarna uppskattar att protesen, om den tillverkas i stor skala, kan kosta en storleksordning mindre än befintliga produkter.

2012, strax efter att Amos Winter, SM ’05, PhD ’11, anslöt sig till maskinteknikfakulteten, kontaktades han av tillverkaren av konstgjorda lemmar Jaipur Foot, som donerar tusentals av sina fotproteser till användare i Indien och på andra håll varje år. De har tillverkat den här foten i över 40 år, och den är robust, så bönder kan använda den barfota utomhus, och den är relativt verklighetstrogen, säger Winter. Men det är ganska tungt, och den interna strukturen är gjord helt för hand, vilket skapar en stor variation i produktkvalitet. Jaipur Foot bad Winter att designa en bättre, lättare fot som kunde masstillverkas till låg kostnad.

Genom att tänka om den typiska fotdesignen insåg Winters team, ledd av Kathryn Olesnavage ’12, SM ’14, PhD ’18, att amputerade som tappat en lem under knät inte kan känna vad en fotprotes gör. För en användare är foten precis som en svart låda, säger Winter. Det är inte kopplat till deras nervsystem, och de interagerar inte intimt med foten.

Så istället för att försöka replikera rörelserna hos en arbetsför fot, fokuserade de på underbenets rörelser.

Efter att ha utvecklat en matematisk modell som beskrev protesens styvhet, möjliga rörelse och form, pluggade de in data om markreaktionskrafter som samlats in från arbetsföra vandrare, som de kunde summera för att förutsäga hur en användares underben skulle röra sig genom ett enda steg. Sedan justerade de styvheten och geometrin hos den simulerade foten för att producera en underbensbana som liknar den arbetsföra rörelsen.

För att hitta en idealisk fotform simulerade gruppen en mängd olika fötter, vilket eliminerade de former som inte producerade något i närheten av en arbetsför gång i modellen. Sedan blandade de och matchade egenskaperna hos de återstående formerna för att komma fram till en som gav den mest naturliga underbensbanan. Resultatet liknar sidovyn av en kälke.

Olesnavage och Winter ansåg att om de varierade styvheten och formen efter en persons kroppsvikt och storlek, så skulle protesen också generera benrörelser som liknar att gå. För att testa denna idé, skapade de flera fot för volontärer i Indien med hjälp av bearbetad nylon, ett material som valts för sin energilagringsförmåga.

Vad som är coolt är att detta inte beter sig som en arbetsför fot - det finns ingen fotled eller mellanfotsled, säger Winter. Det är bara en stor struktur, och allt vi bryr oss om är hur underbenet rör sig genom rymden. De flesta av testerna gjordes inomhus, men en kille sprang utanför, han gillade det så mycket. Det sätter en fjäder i ditt steg.

Italienska vandringskängeltillverkaren Vibram designar ett naturtroget överdrag för protesen som även ger den grepp på leriga eller hala underlag. Forskarna planerar att testa proteserna och överdragen på frivilliga i Indien nästa sommar.

Den här modellen är potentiellt spelförändrande för branschen, säger Winter, eftersom vi helt kan kvantifiera foten och ställa in den för individer och använda billigare material.

Dölj