3D打印鞋垫直接在鞋内测量鞋底压力

在精英运动中，有时几分之一秒就会决定成败。为了优化他们的表现，运动员使用定制鞋垫。但是患有肌肉骨骼疼痛的人也会求助于鞋垫来缓解他们的不适。

在专家能够准确地适配此类鞋垫之前，他们必须首先创建足部的压力分布图。为此，运动员或患者必须赤脚走在压敏垫上，并在上面留下自己的脚印。根据这种压力分布，骨科医生随后手工制作定制鞋垫。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能在密闭空间内进行测量，而不能在锻炼或户外活动期间进行测量。

现在，来自苏黎世联邦理工学院、Empa 和 EPFL 的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 打印技术生产出带有集成压力传感器的定制鞋垫，可以在各种活动中直接在鞋内测量脚底的压力。

“你可以从检测到的压力模式判断某人是在走路、跑步、爬楼梯，还是背负重物——在这种情况下，压力更多地转移到脚后跟，”共同项目负责人 Gilberto Siqueira 解释说， Empa 和 ETH 复杂材料实验室的高级助理。这使繁琐的垫子测试成为过去。这项发明最近刊登在《科学报告》杂志上。

一台设备，多种墨水

这些鞋垫不仅易于使用，而且易于制作。它们只需一个步骤即可生产 - 包括集成传感器和导体 - 使用一台称为挤出机的 3D 打印机。

对于打印，研究人员使用专门为此应用开发的各种墨水。作为鞋垫的基础，材料科学家使用硅树脂和纤维素纳米颗粒的混合物。

接下来，他们使用含银的导电油墨在第一层上印刷导体。然后，他们使用含有炭黑的墨水将传感器打印在导体上的各个位置。传感器不是随机分布的：它们恰好放置在脚底压力最大的位置。为了保护传感器和导体，研究人员在它们上面涂上了另一层硅胶。

最初的困难是在不同材料层之间实现良好的粘合。研究人员通过用热等离子体处理硅树脂层的表面解决了这个问题。

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

即将无线读取运行数据

测试向研究人员表明，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的响应以及响应的强度来识别不同的活动，”Siqueira 说。

目前，Siqueira 和他的同事们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，下一步的开发步骤之一是创建无线连接。“然而，到目前为止，读取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 打印鞋垫可用于运动员或物理治疗，例如测量训练或治疗进展。根据这些测量数据，可以调整训练计划，并可以使用 3D 打印生产具有不同硬区和软区的永久鞋垫。

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