Fabrication numérique de chaussures personnalisées avec capteurs intégrés

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1962 (2023) Citer cet article

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La forte demande clinique pour des technologies de surveillance de la santé plus précises et personnalisées a nécessité le développement de dispositifs portables fabriqués de manière additive. Alors que la palette de matériaux pour la fabrication additive continue de s'élargir, l'intégration des matériaux, des conceptions et des méthodes de fabrication numérique dans un flux de travail unifié reste un défi. Dans ce travail, une plate-forme d'impression 3D est proposée pour la fabrication intégrée de dispositifs portables souples à base de silicone avec des capteurs piézorésistifs intégrés. Des encres à base de silicone contenant des nanocristaux de cellulose et/ou des charges de noir de carbone ont été minutieusement conçues et utilisées pour l'écriture directe à l'encre d'un démonstrateur de semelle intérieure de chaussure avec des capteurs encapsulés capables de mesurer à la fois les forces normales et de cisaillement. En ajustant les propriétés du matériau aux pressions plantaires attendues, la semelle intérieure de chaussure personnalisée par le patient a été entièrement imprimée en 3D à température ambiante pour mesurer les forces de marche in situ pendant l'activité physique. De plus, l’approche numérisée permet une adaptation rapide de la disposition des capteurs pour répondre aux besoins spécifiques des utilisateurs et ainsi fabriquer des semelles améliorées en plusieurs itérations rapides. Les matériaux et le flux de travail développés permettent une nouvelle génération de dispositifs électroniques souples entièrement imprimés en 3D pour la surveillance de la santé.

Les normes en matière de soins de santé s’améliorent continuellement à mesure que la demande d’une surveillance de la santé plus précise et personnalisée continue de croître1,2,3,4,5,6,7. Cette demande émane non seulement du secteur médical, cherchant à répondre à des besoins strictement cliniques, mais également des athlètes et amateurs de sport qui souhaitent mieux prendre conscience de leur état de santé et de leur condition physique3,8. Pour résoudre ce problème, des systèmes de détection portables souples personnalisés sont en cours de développement pour fournir des mesures de santé physiologique sur une durée prolongée1 sans sacrifier le confort de l'utilisateur9,10. L’une des applications cibles de la surveillance continue de la santé est l’analyse de la démarche, qui peut fournir des informations sur l’état de santé général11, le vieillissement12,13, les performances sportives et la récupération après une blessure14. Bien que de nombreux progrès aient été réalisés en termes de développement de matériaux et de capteurs pour réaliser des dispositifs portables de surveillance de la marche1,9, il existe peu de solutions complètes pouvant être facilement adaptées à l'utilisateur. De plus, la référence en matière de mesures du mouvement de la marche continue de s'appuyer sur des instruments stationnaires10,15, qui ne peuvent pas être utilisés pour une surveillance autonome. Dans ce contexte, les capteurs inertiels se sont révélés prometteurs en tant que solution portable16. Cependant, les protocoles de mesure requis pour les utiliser sont encore en cours de développement et une surveillance à long terme avec des dispositifs spécifiques au patient n'a pas encore été démontrée17.

Les chaussures électroniques sous forme de chaussettes et de semelles intérieures avec capteurs intégrés offrent une stratégie intéressante pour mesurer la démarche de manière fiable10,18, tout en offrant un haut degré de confort à l'utilisateur. Parce qu’elles peuvent être insérées facilement et de manière non intrusive dans une chaussure, les semelles intérieures sont des candidates idéales pour la surveillance des mouvements de marche. L'adaptation de la forme, de la position et du matériau de la semelle intérieure offre également la possibilité d'améliorer la démarche et de prévenir d'autres problèmes de santé en corrigeant la posture et en améliorant la répartition de la pression plantaire14,19. De plus, les performances sportives peuvent être influencées positivement par l’utilisation de semelles intérieures dont la rigidité et la géométrie sont réglables20. L'intégration de capteurs dans des semelles de pointe est un défi de fabrication ouvert, pour lequel différents concepts ont été proposés. Jusqu'à présent, plusieurs systèmes de détection plantaire intelligents en élastomères ont été développés avec des mécanismes de détection mécaniques intégrés, notamment des capteurs de pression capacitifs21,22, piézorésistifs23, à résistance sensible à la force24 et triboélectriques25,26. De tels systèmes intégrés ont été fabriqués soit par fabrication bobine à bobine27, par induction laser28 ou par fabrication en salle blanche29. Malgré ces évolutions séduisantes, les approches actuelles s’appuient toujours sur des flux de fabrication conventionnels qui ne peuvent pas répondre à la demande croissante de numérisation et de personnalisation.