センサーが組み込まれたパーソナライズされた靴のデジタル製造

Sep 11, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1962 (2023) この記事を引用

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より正確でパーソナライズされた健康モニタリング技術に対する臨床上の強い需要により、積層造形によるウェアラブル デバイスの開発が求められています。 積層造形用の材料パレットは拡大し続けていますが、材料、デザイン、デジタルファブリケーション手法を統一ワークフローに統合することは依然として課題です。 この研究では、ピエゾ抵抗センサーが埋​​め込まれたシリコンベースのソフトウェアラブルの統合製造のための 3D プリンティング プラットフォームが提案されています。 セルロース ナノクリスタルおよび/またはカーボン ブラック フィラーを含むシリコーン ベースのインクは徹底的に設計され、垂直力とせん断力の両方を測定できるカプセル化センサーを備えた靴の中敷デモンストレーターの直接インク書き込みに使用されました。 予想される足底圧に合わせて材料特性を微調整することで、患者に合わせてカスタマイズした靴のインソールを室温で完全に 3D プリントし、身体活動中のその場での歩行力を測定しました。 さらに、デジタル化されたアプローチにより、センサー レイアウトを迅速に適応させて特定のユーザーのニーズを満たすことができるため、複数回の迅速な反復で改良されたインソールを製造できます。 開発された材料とワークフローにより、健康モニタリング用の新世代の完全 3D プリント ソフト電子デバイスが可能になります。

より正確でパーソナライズされた健康モニタリングに対する需要が高まるにつれて、医療の基準は継続的に向上しています1、2、3、4、5、6、7。 この需要は、臨床上のニーズに厳密に対応しようとする医療部門からだけでなく、自分の健康状態や体調をもっと知りたいと願うアスリートやスポーツ愛好家からも生じています3,8。 これに対処するために、ユーザーの快適さを犠牲にすることなく、生理学的健康指標を長期間にわたって提供するための、パーソナライズされたソフトウェアラブルセンシングシステムの開発が進められています19,10。 継続的な健康モニタリングのターゲット アプリケーションの 1 つは、全体的な健康状態 11、老化 12、13、スポーツ パフォーマンス、および怪我の回復 14 についての洞察を提供できる歩行分析です。 歩行監視ウェアラブルを実現するための材料とセンサーの開発に関しては多くの進歩が見られますが、ユーザーに合わせて簡単に調整できる完全なソリューションはほとんどありません。 さらに、歩行運動測定のゴールドスタンダードは引き続き固定機器に依存しており 10,15、自由生活モニタリングには使用できません。 これに関連して、慣性センサーはウェアラブル ソリューションとしてある程度の有望性を示しています16。 ただし、これらを利用するために必要な測定プロトコルはまだ開発中であり、患者固有のデバイスを使用した長期モニタリングはまだ実証されていません 17。

統合センサーを備えた靴下やインソールの形の電子履物は、ユーザーに高度な快適性を提供しながら、歩行を確実に測定する魅力的な戦略を提供します10,18。 インソールは簡単かつ非侵入的に靴に挿入できるため、歩行動作モニタリングの理想的な候補となります。 インソールの形状、位置、素材を調整することにより、姿勢を修正し、足底圧の分散を改善することで、歩行を改善し、さらなる健康上の問題を防ぐ機会も得られます14,19。 さらに、調整可能な硬さと形状を備えたインソールの使用により、スポーツのパフォーマンスにプラスの影響を与えることができます20。 最先端のインソールへのセンサーの統合は、製造上の未解決の課題であり、さまざまなコンセプトが提案されています。 これまでに、容量性 21、22、ピエゾ抵抗性 23、力感応抵抗器 24、摩擦電気 25、26 圧力センサーを含む統合された機械的感知機構を備えたいくつかのエラストマースマート足底感知システムが開発されてきました。 このような統合システムは、リールツーリール製造 27、レーザー誘導 28、またはクリーンルーム製造 29 のいずれかを使用して製造されています。 このような魅力的な発展にもかかわらず、現在のアプローチは依然として従来の製造ワークフローに依存しており、デジタル化とパーソナライゼーションの需要の高まりに応えることができません。