Het nemen van een wandelpad of een geplaveide straat met een beenprothese is een riskant voorstel - het is mogelijk, maar zelfs op relatief gemakkelijk terrein, mensen die prothesen gebruiken om te lopen, hebben meer kans om te vallen dan anderen. Nutsvoorzieningen, Mechanische ingenieurs van Stanford University hebben een stabieler beenprothese ontwikkeld - en een betere manier om ze te ontwerpen - waarmee uitdagend terrein beter beheersbaar kan worden gemaakt voor mensen die een onderbeen hebben verloren.

De hoeksteen van het nieuwe ontwerp is een soort statiefvoet die reageert op ruw terrein door de druk actief te verplaatsen tussen drie verschillende contactpunten. Even belangrijk als de voet een hulpmiddel is, het team ontwikkelde voor het snel emuleren en verbeteren van hun prototypes.

"Prothetische emulators stellen ons in staat om veel verschillende ontwerpen uit te proberen zonder de overhead van nieuwe hardware, " zei Steven Collins, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en een lid van Stanford Bio-X. "In principe, we kunnen alle gekke ontwerpideeën die we hebben proberen en zien hoe mensen erop reageren, " hij zei, zonder elk idee apart uit te werken, een inspanning die maanden of jaren kan duren voor elk verschillend ontwerp.

Afgestudeerd student Vincent Chiu, postdoctoraal onderzoeker Alexandra Voloshina en Collins beschrijven de constructie en eerste tests van hun prothetische emulator in een paper gepubliceerd in IEEE-transacties over biomedische technologie .

Aanpassen aan het terrein

Ongeveer een half miljoen mensen in de Verenigde Staten hebben een onderste ledemaat verloren, met effecten die verder gaan dan alleen het moeilijker maken om te bewegen. Mensen met een beenamputatie hebben vijf keer meer kans om te vallen in de loop van een jaar, wat kan bijdragen aan de reden waarom ze ook minder sociaal betrokken zijn. Een betere prothetische ledemaat zou niet alleen de mobiliteit kunnen verbeteren, maar ook de algehele kwaliteit van leven.

Een gebied van bijzonder belang is het maken van prothetische ledematen die beter kunnen omgaan met ruwe grond. De oplossing, Chiu, Voloshina en Collins dachten, kan een statief zijn met een naar achteren gerichte hiel en twee naar voren gerichte tenen. Uitgerust met positiesensoren en motoren, de voet kan zijn oriëntatie aanpassen om te reageren op wisselend terrein, net zoals iemand met een intacte voet zijn tenen kan bewegen en zijn enkels kan buigen om te compenseren tijdens het lopen over ruw terrein.

Maar de ingenieurs wisten dat het moeilijk zou zijn om het ontwerp te perfectioneren, zelfs met eenvoudige ontwerpen, een conventionele aanpak kan jaren of langer duren. "Eerst moet je met een idee komen en dan maak je een prototype en dan maak je een mooie machinale versie, " zei Chiu. "Het kan enkele jaren duren, en meestal kom je erachter dat het niet echt werkt."

Ontwerp versnellen

Chiu en zijn team dachten dat ze het proces konden versnellen door een emulator te ontwikkelen, die het ontwerpproces op zijn kop zet. In plaats van een prothetisch ledemaat te bouwen, zou iemand in de echte wereld kunnen testen, het team bouwde in plaats daarvan een standaard statiefvoet, vervolgens aangesloten op krachtige off-board motoren en computersystemen die bepalen hoe de voet reageert als een gebruiker zich over allerlei soorten terrein beweegt.

Daarbij, het team kan hun ontwerpfocus leggen op hoe de prothese zou moeten functioneren - hoe hard een teen moet afzetten tijdens het lopen, hoe veerkrachtig de hiel moet zijn, enzovoort, zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over hoe u het apparaat tegelijkertijd lichtgewicht en goedkoop kunt maken.

Tot nu toe heeft het team resultaten gerapporteerd van het werk met één deelnemer, een 60-jarige man die zijn been onder de knie verloor door diabetes, en de eerste resultaten zijn veelbelovend, waardoor het team hoopvol is dat ze die resultaten kunnen gebruiken en er capabelere protheses van kunnen maken.

"Een van de dingen die we graag doen, is het vertalen van wat we in het laboratorium vinden in lichtgewicht en energiezuinige en daarom goedkope apparaten die buiten het laboratorium kunnen worden getest, ' zei Collins. 'En als dat goed gaat, we willen graag helpen om dit een product te maken dat mensen in het dagelijks leven kunnen gebruiken."