3D打印鞋垫直接测量鞋底压力

苏黎世联邦理工学院，Empa和EPFL的研究人员正在开发一种带有集成传感器的3D打印鞋垫，可以在鞋子中测量鞋底的压力，从而在任何活动中测量鞋底的压力。这有助于运动员或患者确定表现和治疗进展。

在精英运动中，几分之一秒有时决定胜负。为了优化他们的表现，运动员使用定制的鞋垫。但是肌肉骨骼疼痛的人也会转向鞋垫来对抗他们的不适。

在专家能够准确安装这种鞋垫之前，他们必须首先创建脚的压力曲线。为此，运动员或患者必须赤脚走在压敏垫上，在那里他们留下了各自的脚印。根据这种压力曲线，骨科医生然后手工制作定制的鞋垫。这种方法的问题在于优化和调整需要时间。另一个缺点是压敏垫只允许在密闭空间内进行测量，而不允许在锻炼或户外活动期间进行测量。

现在，苏黎世联邦理工学院、Empa和EPFL研究团队的一项发明可以极大地改善现状。研究人员使用3D打印生产了一种带有集成压力传感器的定制鞋垫，可以在各种活动中直接测量鞋底的压力。

“你可以从检测到的压力模式中判断出是否有人在走路，跑步，爬楼梯，甚至背负重物 - 在这种情况下，压力更多地转移到脚后跟，”联合项目负责人Gilberto Siqueira解释说，他是Empa和ETH复杂材料实验室的高级助理。这使得乏味的垫子测试成为过去。这项发明最近在《科学报告》杂志上发表。

一台设备，多种墨水

这些鞋垫不仅易于使用，而且易于制作。它们只需一步即可生产 - 包括集成的传感器和导体 - 使用单个3D打印机，称为挤出机。

对于印刷，研究人员使用专门为此应用开发的各种油墨。作为鞋垫的基础，材料科学家使用有机硅和纤维素纳米颗粒的混合物。

接下来，他们使用含有银的导电墨水在第一层上打印导体。然后，他们使用含有炭黑的墨水将传感器打印在导体上的个别位置。传感器不是随机分布的：它们被准确地放置在脚底压力最大的位置。为了保护传感器和导体，研究人员在它们身上涂上了另一层硅胶。

最初的困难是在不同材料层之间实现良好的附着力。研究人员通过用热等离子体处理有机硅层的表面来解决这个问题。

作为测量法向力和剪切力的传感器，它们使用压电陶瓷元件，将机械压力转换为电信号。此外，研究人员还在鞋底中内置了一个接口，用于读取生成的数据。

即将无线读取运行数据

测试表明，增材制造的鞋垫效果很好。“因此，通过数据分析，我们实际上可以根据传感器响应以及响应强度来识别不同的活动，”Siqueira说。

目前，Siqueira 和他的同事仍然需要电缆连接来读取数据;为此，他们在鞋垫的侧面安装了一个触点。他说，下一个开发步骤将是创建无线连接。“然而，到目前为止，读出数据并不是我们工作的主要重点。

未来，带有集成传感器的3D打印鞋垫可以被运动员或物理治疗使用，例如测量训练或治疗进展。基于这些测量数据，可以调整训练计划，并使用3D打印生产具有不同硬区和软区的永久性鞋垫。

尽管Siqueira认为他们的产品具有强大的市场潜力，特别是在精英运动领域，但他的团队尚未采取任何商业化措施。