Att ta en vandringsled eller en kullerstensgata med en benprotes är ett riskabelt förslag – det är möjligt, men även i relativt lätt terräng, personer som använder proteser för att gå är mer benägna att falla än andra. Nu, Stanford Universitys mekaniska ingenjörer har utvecklat en mer stabil benprotes – och ett bättre sätt att designa dem – som kan göra utmanande terräng mer hanterbar för personer som har tappat ett underben.
Hörnstenen i den nya designen är en sorts stativfot som reagerar på tuff terräng genom att aktivt flytta tryck mellan tre olika kontaktpunkter. Lika viktigt som att foten är ett verktyg, teamet utvecklade för att snabbt emulera och förbättra sina prototyper.
"Protetiska emulatorer gör att vi kan prova många olika konstruktioner utan kostnaden för ny hårdvara, sa Steven Collins, en docent i maskinteknik och medlem i Stanford Bio-X. "I grund och botten, vi kan prova alla slags galna designidéer vi kan ha och se hur folk reagerar på dem, " han sa, utan att behöva bygga varje idé separat, en ansträngning som kan ta månader eller år för varje design.
Doktorand Vincent Chiu, postdoktorn Alexandra Voloshina och Collins beskriver konstruktionen och de första testerna av deras protesemulator i en artikel publicerad i IEEE-transaktioner på biomedicinsk teknik .
Anpassning till terrängen
Cirka en halv miljon människor i USA har förlorat en nedre extremitet, med effekter som går utöver att bara göra det svårare att röra sig. Personer med en benamputation löper fem gånger större risk att falla under loppet av ett år, vilket kan bidra till varför de också är mindre socialt engagerade. En bättre protes kan förbättra inte bara rörligheten utan också den övergripande livskvaliteten.
Ett område av särskilt intresse är att tillverka proteser som bättre kan hantera ojämn mark. Lösningen, Chiu, Voloshina och Collins tänkte, kan vara ett stativ med en bakåtvänd häl och två framåtriktade tår. Utrustad med positionssensorer och motorer, foten kan justera sin orientering för att svara på varierande terräng, ungefär som någon med en intakt fot kunde röra sina tår och böja vristerna för att kompensera när de gick över ojämn mark.
Men ingenjörerna visste att det skulle vara svårt att fullända designen – även med enkla konstruktioner, ett konventionellt tillvägagångssätt kan ta år eller mer. "Först måste du komma på en idé och sedan prototypa den och sedan göra en snygg bearbetad version, " sa Chiu. "Det kan ta flera år, och för det mesta får du reda på att det faktiskt inte fungerar."
Accelererande design
Chiu och hans team trodde att de kunde påskynda processen genom att utveckla en emulator, som vänder designprocessen på huvudet. Istället för att bygga en protes kan någon testa i den verkliga världen, laget byggde istället en enkel stativfot, kopplade sedan upp den till kraftfulla ombordmotorer och datorsystem som styr hur foten reagerar när en användare rör sig över all slags terräng.
Genom att göra så, teamet kan lägga sitt designfokus på hur protesen ska fungera – hur hårt en tå ska trycka av när man går, hur fjädrande hälen ska vara och så vidare – utan att behöva oroa dig för hur man gör enheten lätt och billig på samma gång.
Hittills har teamet rapporterat resultat från arbete med en deltagare, en 60-årig man som tappade benet under knät på grund av diabetes, och de tidiga resultaten är lovande – vilket gör teamet hoppfullt att de kan ta dessa resultat och förvandla dem till mer kapabla proteser.
"En av de saker vi är glada över att göra är att översätta det vi hittar i labbet till lätta och lågeffekts- och därför billiga enheter som kan testas utanför labbet, "Sa Collins. "Och om det går bra, vi vill hjälpa till att göra detta till en produkt som människor kan använda i vardagen."
