Onderzoekers van de ETH Zürich ontwikkelen een 3D-geprinte inlegzool met geïntegreerde sensoren waarmee de druk van de zool in de schoen en dus tijdens elke activiteit kan worden gemeten.
In topsporten maken fracties van een seconde soms het verschil tussen overwinning en nederlaag. Om hun prestaties te optimaliseren, gebruiken atleten op maat gemaakte inlegzolen. Maar ook mensen met pijn aan het bewegingsapparaat doen een beroep op inlegzolen om hun ongemak te bestrijden.
Voordat specialisten dergelijke inlegzolen nauwkeurig kunnen aanmeten, moeten ze eerst een drukprofiel van de voeten maken. Daartoe moeten sporters of patiënten op blote voeten over drukgevoelige matten lopen, waar ze hun individuele voetafdrukken achterlaten. Op basis van dit drukprofiel maken orthopedisten vervolgens met de hand aangepaste inlegzolen. Het probleem met deze aanpak is dat optimalisaties en aanpassingen tijd kosten. Een ander nadeel is dat de drukgevoelige matten alleen metingen toelaten in een beperkte ruimte, maar niet tijdens trainingen of buitenactiviteiten.
Een nieuwe oplossing
De nieuwe uitvinding van een onderzoeksteam van de ETH Zürich en andere instellingen – aangekondigd in een persbericht – zou de zaken sterk kunnen verbeteren. De wetenschappers gebruikten 3D-printing om een inlegzool op maat te maken met geïntegreerde druksensoren die de druk op de voetzool direct in de schoen kunnen meten tijdens verschillende activiteiten.
“Aan de gedetecteerde drukpatronen kun je zien of iemand loopt, rent, traploopt, of zelfs een zware last op zijn rug draagt – in dat geval verschuift de druk meer naar de hiel,” verklaart mede-projectleider Gilberto Siqueira, Senior Assistant aan het ETH Complex Materials Laboratory. Hierdoor behoren vervelende mattests tot het verleden.
Eén apparaat, meerdere inkten
Deze inlegzolen zijn niet alleen gemakkelijk te gebruiken, ze zijn ook gemakkelijk te maken. Ze worden in slechts één stap geproduceerd – inclusief de geïntegreerde sensoren en geleiders – met behulp van één 3D-printer, een zogenaamde extruder.
Voor het printen gebruiken de onderzoekers verschillende inkten die speciaal voor deze toepassing zijn ontwikkeld. Als basis voor de binnenzool gebruiken de materiaalwetenschappers een mengsel van siliconen en nanodeeltjes van cellulose.
Vervolgens printen zij de geleiders op deze eerste laag met een geleidende inkt die zilver bevat. Vervolgens drukken ze de sensoren op afzonderlijke plaatsen op de geleiders met inkt die roet bevat. De sensoren zijn niet willekeurig verdeeld: ze zijn precies daar geplaatst waar de druk van de voetzool het grootst is. Om de sensoren en geleiders te beschermen, bedekken de onderzoekers ze met een laag siliconen.
Een eerste moeilijkheid was het bereiken van een goede hechting tussen de verschillende materiaallagen. De onderzoekers losten dit op door het oppervlak van de siliconenlagen met heet plasma te behandelen.
Als sensoren voor het meten van normaal- en schuifkrachten gebruiken zij piëzocomponenten, die mechanische druk omzetten in elektrische signalen. Bovendien hebben de onderzoekers een interface in de zool ingebouwd voor het uitlezen van de gegenereerde gegevens.
Gegevens uitvoeren en draadloos uitlezen
Tests toonden de onderzoekers aan dat de additief vervaardigde inlegzool goed werkt. “Met data-analyse kunnen we dus eigenlijk verschillende activiteiten identificeren op basis van welke sensoren reageerden en hoe sterk die reactie was”, zegt Siqueira.
Op dit moment hebben Siqueira en zijn collega’s nog een kabelverbinding nodig om de gegevens uit te lezen; daartoe hebben ze een contact aan de zijkant van de inlegzool geïnstalleerd. Een van de volgende ontwikkelingsstappen, zegt hij, zal het maken van een draadloze verbinding zijn. “Maar het uitlezen van de gegevens is tot nu toe niet de hoofdfocus van ons werk geweest.”
In de toekomst zouden 3D-geprinte inlegzolen met geïntegreerde sensoren kunnen worden gebruikt door sporters of in de fysiotherapie, bijvoorbeeld om de voortgang van de training of therapie te meten. Op basis van dergelijke meetgegevens kunnen dan trainingsplannen worden aangepast en permanente schoenzolen met verschillende harde en zachte zones worden geproduceerd met behulp van 3D-printing.
Hoewel Siqueira gelooft dat er een sterk marktpotentieel is voor hun product, vooral in topsporten, heeft zijn team nog geen stappen gezet in de richting van commercialisering.
Geselecteerd voor jou!
Innovation Origins is het Europese platform voor innovatienieuws. Naast de vele berichten van onze eigen redactie in 15 Europese landen, selecteren wij voor jou de belangrijkste persberichten van betrouwbare bronnen. Zo blijf je op de hoogte van alles wat er gebeurt in de wereld van innovatie. Ben jij of ken jij een organisatie die niet in onze lijst met geselecteerde bronnen mag ontbreken? Meld je dan bij onze redactie.
