Tekniken för proteser har gått framåt med stormsteg, ger amputerade en rad bioniska alternativ, inklusive konstgjorda knän som kontrolleras av mikrochips, sensorbelastade fötter som drivs av artificiell intelligens, och robothänder som en användare kan manipulera med sitt sinne. Men sådana högteknologiska mönster kan kosta tiotusentals dollar, vilket gör dem ouppnåeliga för många amputerade, särskilt i utvecklingsländer.

Nu har MIT-ingenjörer utvecklat en enkel, låg kostnad, passiv fotprotes som de kan skräddarsy till en individ. Med tanke på en användares kroppsvikt och storlek, forskarna kan justera formen och styvheten på protesfoten, så att användarens gång liknar en arbetsför gång. De uppskattar att foten, om den tillverkas i stor skala, kan kosta en storleksordning mindre än befintliga produkter.

De specialdesignade proteserna är baserade på ett designramverk utvecklat av forskarna, som ger ett kvantitativt sätt att förutsäga en användares biomekaniska prestanda, eller gångbeteende, baserat på den mekaniska utformningen av fotprotesen.

"[Walking] är något som är så viktigt för oss som människor, och för detta segment av befolkningen som har amputerat underben, Det finns bara ingen teori för oss att säga, "här är exakt hur vi ska utforma en fots styvhet och geometri åt dig, för att du ska gå som du vill, " säger Amos Winter, docent i maskinteknik vid MIT. "Nu kan vi göra det. Och det är superkraftigt."

Winter och tidigare doktorand Kathryn Olesnavage rapporterar detaljer om detta ramverk i IEEE:s transaktioner om neurala system och rehabilitering . De har publicerat sina resultat på sin nya protesfot i ASME Journal of Mechanical Design, med doktoranden Victor Prost och forskningsingenjören William Brett Johnson.

Under 2012, strax efter att Winter började på MIT-fakulteten, han blev kontaktad av Jaipur Foot, en tillverkare av konstgjorda lemmar baserad i Jaipur, Indien. Organisationen tillverkar en passiv protesfot, inriktad på amputerade i utvecklingsländer, och donerar mer än 28, 000 modeller varje år till användare i Indien och på andra håll.

"De har gjort den här foten i över 40 år, och det är robust, så att bönderna kan använda den barfota utomhus, och det är relativt verklighetstroget, så om folk går i en moské och vill be barfota, de kommer sannolikt inte att stigmatiseras, " säger Winter. "Men det är ganska tungt, och den inre strukturen är gjord för hand, vilket skapar en stor variation i produktkvalitet."

Organisationen frågade Winter om han kunde designa en bättre, lättare fot som kunde masstillverkas till låg kostnad.

"Vid det tillfället, vi började fråga oss själva, Hur ska vi designa den här foten som ingenjörer? Hur ska vi förutsäga prestandan, med tanke på fotens styvhet och mekaniska design och geometri? Hur ska vi ställa in allt det där för att få en person att gå som vi vill att de ska gå?'" minns Winter.

Laget, ledd av Olesnavage, letade först efter ett sätt att kvantitativt relatera en protes mekaniska egenskaper till en användares gångprestanda - ett grundläggande förhållande som aldrig tidigare var fullständigt kodifierat.

Medan många utvecklare av fotproteser har fokuserat på att replikera rörelserna hos friska fötter och anklar, Winters team tog ett annat tillvägagångssätt, baserat på deras insikt om att amputerade som tappat en lem under knät inte kan känna vad en fotprotes gör.

"En av de kritiska insikterna vi hade var att, till en användare, foten är precis som en svart låda – den är inte kopplad till deras nervsystem, och de interagerar inte intimt med foten, säger Winter.

Istället för att designa en fotprotes för att replikera rörelserna hos en arbetsför fot, han och Olesnavage försökte designa en fotprotes som skulle producera underbensrörelser som liknar dem hos en arbetsför persons underben när de går.

"Detta öppnade verkligen designutrymmet för oss, " säger Winter. "Vi kan potentiellt drastiskt ändra foten, så länge vi får underbenet att göra vad vi vill att det ska göra, när det gäller kinematik och belastning, eftersom det är vad en användare uppfattar."

Med underbenet i åtanke, teamet letade efter sätt att relatera hur fotens mekanik relaterar till hur underbenet rör sig medan foten är i kontakt med marken. Att göra detta, forskarna konsulterade en befintlig datauppsättning som omfattade mätningar av steg som tagits av en välmående rullator med en given kroppsstorlek och vikt. För varje steg, tidigare forskare hade registrerat markreaktionskrafterna och det förändrade tryckcentrum som en fotgängares fot upplevde när den gungade från häl till tå, tillsammans med underbenets position och bana.

Winter och hans kollegor utvecklade en matematisk modell av en enkel, passiv fotprotes, som beskriver styvheten, möjlig rörelse, och fotens form. De kopplade in markreaktionskrafterna från datamängden i modellen, som de kunde summera för att förutsäga hur en användares underben skulle översättas genom ett enda steg.

Med sin modell, de justerade sedan styvheten och geometrin för den simulerade protesfoten för att producera en underbensbana som var nära den arbetsrika svängningen-ett mått som de anser vara ett minimalt "underbensfel."

"Helst, vi skulle justera fotens styvhet och geometri perfekt så att vi exakt replikerar underbenets rörelse, " säger Winter. "Sammantaget, vi såg att vi kan komma ganska nära fri rörelse och belastning, med en passiv struktur. "

Utvecklas på en kurva

Teamet försökte sedan hitta en idealisk form för en endelad fotprotes som skulle vara enkel och prisvärd att tillverka, medan de fortfarande producerar en benbana som är mycket lik den för arbetsföra vandrare.

För att hitta en idealisk fotform, gruppen körde en "genetisk algoritm" - en vanlig teknik som används för att sålla bort ogynnsamma alternativ, på jakt efter de mest optimala designerna.

"Precis som en population av djur, vi skapade en befolkning av fötter, alla med olika variabler för att skapa olika kurvformer, ", säger Winter. "Vi laddade in dem i simulering och beräknade deras underbens banafel. De som hade ett högt fel, vi dödade. "

De som hade ett lägre fel, forskarna blandade vidare och matchade med andra former, att utveckla befolkningen mot en idealisk form, med lägsta möjliga underbens banafel. Teamet använde en bred Bezier-kurva för att beskriva formen på foten med bara några få utvalda variabler, som var lätta att variera i den genetiska algoritmen. Den resulterande fotformen liknade sidovyn av en kälke.

Olesnavage och Winter ansåg att, genom att ställa in styvheten och formen på denna Bezier-kurva till en persons kroppsvikt och storlek, teamet bör kunna producera en fotprotes som genererar benrörelser som liknar arbetsföra promenader. För att testa denna idé, forskarna producerade flera fot för volontärer i Indien. Proteserna var gjorda av bearbetad nylon, ett material valt för sin energilagringsförmåga.

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

Går framåt, teamet har samarbetat med Vibram, ett italienskt företag som tillverkar yttersulor i gummi — flexibla vandringskängor och löparskor som ser ut som fötter. Företaget designar ett naturtroget hölje för lagets protes, som också ger foten dragkraft över leriga eller hala ytor. Forskarna planerar att testa proteserna och överdragen på frivilliga i Indien i vår.

Winter säger att den enkla fotprotesdesignen också kan vara ett mycket mer prisvärt och hållbart alternativ för befolkningar som soldater som vill återgå till aktiv tjänst eller veteraner som vill leva en aktiv livsstil.

"En vanlig passiv fot på den amerikanska marknaden kommer att kosta $1, 000 till $10, 000, gjord av kolfiber. Föreställ dig att du går till din protesläkare, de tar några mätningar, de skickar tillbaka dem till oss, och vi skickar tillbaka till dig en specialdesignad nylonfot för några hundralappar. Denna modell är potentiellt spelförändrande för branschen, eftersom vi helt kan kvantifiera foten och ställa in den för individer, och använd billigare material."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.