Des semelles imprimées en 3D mesurent la pression de la semelle directement dans la chaussure
Des chercheurs de l'ETH Zurich, de l'Empa et de l'EPFL développent une semelle orthopédique imprimée en 3D avec des capteurs intégrés qui permet de mesurer la pression de la semelle dans la chaussure et donc pendant n'importe quelle activité. Cela aide les athlètes et les patients à déterminer leurs performances et leurs progrès thérapeutiques.
Dans le sport de haut niveau, ce sont parfois des fractions de seconde qui font la différence entre la victoire et la défaite. Pour optimiser leurs performances, les sportifs utilisent notamment des semelles orthopédiques fabriquées sur mesure. Mais les personnes souffrant de douleurs de l'appareil locomoteur ont également recours aux semelles orthopédiques pour lutter contre leurs troubles.
Pour adapter avec précision de telles semelles, les spécialistes doivent d'abord établir un profil de pression des pieds. Pour ce faire, les sportifs ou les patients doivent marcher pieds nus sur des tapis sensibles à la pression, où ils laissent leur empreinte de pied individuelle. Sur la base de ce profil de pression, les orthopédistes créent ensuite manuellement des semelles orthopédiques individuelles. Mais les optimisations et les ajustements prennent du temps. Autre inconvénient : les tapis sensibles à la pression ne permettent de prendre des mesures que dans un espace limité, mais pas pendant l'entra?nement ou les activités en plein air.
Or, une invention d'une équipe de recherche de l'ETH Zurich, de l'Empa et de l'EPFL pourrait nettement améliorer la situation : Les chercheurs ont en effet fabriqué par impression 3D une semelle orthopédique sur mesure avec des capteurs de pression intégrés. La pression de la plante du pied peut ainsi être mesurée directement dans la chaussure lors de différentes activités.
"On peut savoir, gr?ce aux modèles de pression déterminés, si quelqu'un marche, court, monte des escaliers ou même porte une lourde charge sur le dos. Dans ce cas, la pression se déplace en effet davantage vers le talon", explique le co-chef de projet Gilberto Siqueira, ma?tre-assistant à l'Empa et au laboratoire des matériaux complexes de l'ETH Zurich. Les fastidieux tests de matage sont ainsi révolus. L'invention a récemment été publiée dans la revue spécialisée page externeRapports scientifiques présentés.
Un appareil, plusieurs encres
Non seulement l'utilisation, mais aussi la fabrication des semelles intérieures sont simples. Les capteurs et les circuits intégrés sont fabriqués en une seule étape et sur une seule imprimante 3D, appelée extrudeuse.
Pour l'impression, les chercheurs utilisent différentes encres dont ils ont développé les formules spécialement pour cette application. Ainsi, les scientifiques des matériaux utilisent un mélange de silicone et de nanoparticules de cellulose comme base de la semelle intérieure.
Sur cette première couche, ils impriment ensuite les pistes conductrices à l'aide d'une encre conductrice contenant de l'argent, et sur celles-ci, à certains endroits - avec une encre contenant du noir de carbone - les capteurs. La répartition des capteurs n'est pas aléatoire : ils sont placés exactement là où la pression de la plante des pieds est la plus forte. Pour protéger les pistes conductrices et les capteurs, les chercheurs les recouvrent d'une autre couche de silicone.
L'une des difficultés initiales a été d'obtenir une bonne adhérence entre les différentes couches de matériaux. Les chercheurs ont donc traité la surface des couches de silicone avec un plasma chaud.
Les capteurs sont des éléments dits piézoélectriques qui convertissent la pression mécanique en signaux électriques. Ils mesurent les forces normales et de cisaillement. Les chercheurs ont également intégré dans la semelle une interface permettant de lire les données générées.
Lecture des données de course bient?t sans fil
Des tests ont montré aux chercheurs que l'insert fabriqué par fabrication additive fonctionnait bien. "Avec une analyse des données, nous pouvons donc effectivement identifier différentes activités, en fonction des capteurs qui ont réagi et avec quelle intensité", explique le chef de projet Siqueira.
Pour l'instant, lui et ses collègues ont encore besoin d'une connexion par c?ble pour lire les données. Ils ont installé un Contact sur le c?té de l'insert. L'une des prochaines étapes de développement consistera à créer une connexion sans fil. "Mais jusqu'à présent, la lecture des données n'était pas au premier plan de notre travail", souligne le chercheur.
Une telle semelle imprimée en 3D avec des capteurs intégrés pourrait à l'avenir être utilisée par les sportifs ou en physiothérapie, par exemple pour mesurer les progrès de l'entra?nement ou de la thérapie. Sur la base des données de mesure, il serait possible d'adapter les plans d'entra?nement et de fabriquer des semelles permanentes avec différentes zones dures et souples gr?ce à l'impression 3D.
Bien que Siqueira estime que le potentiel de marché pour leur développement est important, en particulier dans le sport de haut niveau, son équipe n'a jusqu'à présent pas encore entrepris de démarches en vue d'une commercialisation.
Des chercheurs de l'Empa, de l'ETH Zurich et de l'EPFL ont participé au développement de la semelle intérieure. Danick Briand, chercheur à l'EPFL, a coordonné le projet et son groupe a fourni les capteurs, tandis que les chercheurs de l'ETH et de l'Empa ont développé les encres et la plateforme d'impression. L'h?pital universitaire de Lausanne (CHUV) et l'entreprise d'orthopédie Numo ont également participé au projet. Le projet a été soutenu dans le cadre de la "Strategic Focus Area". page externeFabrication avancée du Domaine des EPF.
Référence bibliographique
Binelli MR, van Dommelen R, Nagel Y, et al. Digital manufacturing of personalised footwear with embedded sensors. Sci Rep 13, 1962 (2023). doi : page externe10.1038/s41598-023-29261-0