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

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

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メトリクスの詳細

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に対する需要の高まりに応えることができません。

3D プリンティングは、高度なカスタマイズ、短い生産サイクル、完全なデジタル化の機会を提供することで、このギャップを埋める有望なアプローチです 30,31。スポーツ業界はパーソナライズされた 3D プリントオブジェクトに大きな関心を示していますが 32、そのようなデバイスの製造と特性評価に関する応用研究は遅れています。ウェアラブルエレクトロニクスの製造に必要なソフトマテリアルを3Dプリントする技術はすでに利用可能になっています。これらには、バット光重合 33、34、材料ジェッティング 35、および直接インク書き込み (DIW) や溶融フィラメント製造 (FFF) などの材料押出技術 36、37、38、39 が含まれます。特に、DIW は、この技術を使用して堆積できる無数の材料、特にポリマー、導電性ペースト、ピエゾ抵抗材料および圧電材料 42、43、44、45、46、47、を使用できるため、適しています。 48、49。利用可能な材料パレットが豊富であるにもかかわらず、この汎用性の高い 3D プリント技術は、電子フットウェアの製造にはまだ十分に活用されていません。ソフトエレクトロニクスの DIW に関する最近の研究では、インソール用途のセンサーアレイを生成する際のこの技術の可能性が実証されました 21。ユーザー固有のインソールの 3D プリントと自由生活環境での検証は、次世代のパーソナライズされた電子フットウェアを作成するための重要な次のステップです。

この研究では、ピエゾ抵抗センサーが埋め込まれた完全にカスタマイズされたスマートインソールのデジタル製造のための統合 3D プリンティングプラットフォームを提案し、そのようなパーソナライズされた履物を現実世界の身体活動で使用することを実証します。インソールの機械的特性のセンシング機能と局所的な調整の両方を提供する機能性インクを使用することで、私たちの目的は、DIW のマルチマテリアルの複雑な成形機能を利用して、ユーザーと環境の相互作用からデータを収集するだけでなく、パーソナライズされたインソールの機械的応答を調整することです。ユーザーのパフォーマンスや健康状態を改善するためのインソール（図1）。長期的なビジョンは、この印刷プラットフォームを利用して実際の物理データを取得し、それをデジタルツイン作成の入力として使用して、強化された履物デザインを生成することです。この目的を達成するために、機能性フィラーを含むシリコーン複合材料の機械的およびレオロジー的特性が最初に特性評価され、統合された圧力およびせん断センサーを備えた複雑な 3D 構造の製造を可能にするために最適化されます。次に、歩行者の静的負荷と動的負荷をシミュレートする機械的テストを通じて、センサーとインソールの設計の性能を検証します。最後に、市販の靴の中敷きの表面を再構築することによってセンサーが埋め込まれた中敷きを成形し、自由生活条件での歩行を捕捉するために靴の中にその中敷きを入れてテストを実行します。

センサーが埋め込まれたカスタマイズされたインソールの分析と製造サイクルの提案。想定されているワークフローでは、訓練を受けた医療従事者が最初の医療診断に基づいてインソールを 3D プリントし、その後、身体活動中に取得した歩行データを考慮して適応したバージョンをプリントできます。イラスト提供：Estevam Quintino (CC BY 4.0)。

提案されているデジタル製造プラットフォームは、適切な材料パレットの開発に依存しています。この目的を達成するために、DIW に必要なレオロジー挙動に適合し、機能センサーや機械的に調整可能な 3D 構造の印刷に必要な材料特性も備えたインクのセットを準備しました。ウェアラブルデバイスに必要な柔軟性と弾性を両立させるために、当社の配合は市販のシリコーンエラストマーをベースにしており、これに 2 種類の機能性フィラー粒子を配合しています。まず、表面改質セルロースナノクリスタル (CNC) を構造充填材として使用し、インクのレオロジー特性とインソールの耐荷重部分の機械的応答を変更しました。ナノセルロースはメチルトリメトキシシラン（MTMS）で官能化されており、シリコーンに対する表面親和性が向上し、ベースエラストマーとの混合が容易になります（図2a）。次に、カーボンブラック粒子の形の機能性フィラーをレオロジー的に最適化したシリコーンに組み込んで、インソールのセンサーのピエゾ抵抗素子を印刷しました。これらの導電性フィラー粒子は、シリコーンベースの複合材料内に浸透ネットワークを形成すると予想され、外力が加わると電気抵抗が変化します。

構造インクとピエゾ抵抗インクの設計と特性評価。 (a) 構造用インクとして使用される CNC 強化シリコーン樹脂の DIW 印刷プロセスの概略図。漫画は、シリコーンマトリックス内での表面改質 CNC の配列を示しています。 (b) さまざまな濃度の CNC を含む構造用インクの貯蔵せん断弾性率と損失せん断弾性率。 (c) 異なる CNC 濃度で調製された複合インクの引張弾性率。挿入図は、印刷部品の引張強度に対する印刷方向の影響を示しています。 (d) 12.5% (w/w) CNC 強化インクで印刷された、異なる充填密度のグリッド型構造。下から上に、充填密度は 100%、50%、25% に対応します。 (e) さまざまな充填密度での 12.5% CNC 強化インクの圧縮弾性率。 (f) 構造インクの表面 3D 再構成には、5.0% (w/w) (上) および 12.5% (w/w) (下) の CNC 濃度が含まれています。両方のサンプルは、直径 0.62 mm のノズルを使用して印刷されました。 (g) 5.0% CNC 強化インクで印刷された基板上に印刷された銀コネクタの表面 3D 再構成。 (h) 希釈剤として 1-ペンタノールを含むインクから印刷されたピエゾ抵抗素子の感度に対する、さまざまなカーボンブラック濃度の影響。挿入図、感度の決定に使用されるサンプル通常センサー。

修飾CNCをシリコーンマトリックスに組み込むことで、インクのレオロジー特性と硬化後の印刷物の機械的応答の両方を調整することができます（図2b）。レオロジー挙動の観点から見ると、CNC 濃度が 5.0% (w/w) を超えて増加すると、インクは流体から粘弾性材料に変化します。硬化したインクの機械的特性も、CNC の存在によって大きく影響されます。引張試験では、CNC 粒子のネットワーク形成能力により、純粋なシリコーンと比較して強度が 2 倍、剛性が 5 倍高くなることが示されています (図 2c)。 CNC を追加すると、インクのレオロジー特性や剛性を変更できるだけでなく、異方性の機械的応答を得ることができます。以前の研究で実証されているように、ノズルからの押出中に材料が受けるせん断力と伸張力により、細長い CNC 粒子は適用される流れの方向に整列します (図 2a)。これにより、異方性の微細構造と特性を備えた印刷ラインが得られ (図 2c、挿入図)、印刷プロセス中の押出機の移動パターンを決定するだけで、印刷されたインソールの強度にさらに作用する機会が得られます。インク配合に加えて、印刷部品の機械的特性も、グリッド型構造の印刷線の密度を変更することで簡単に調整できます (図 2d)。実際、充填率が 25 % から 100% に増加すると、グリッドの圧縮剛性が 3 MPa からほぼ 8 MPa に向上することがわかりました (図 2e)。

インクのレオロジー挙動は、調整可能な機械的応答を備えた 3D 複雑な形状や、機能的なピエゾ抵抗素子や導電性素子の滑らかな基板を印刷する能力においても決定的な役割を果たします。オーバーハングや複雑なパターンを備えた 3D 構造を印刷するには、インクは毛細管力による形状の歪み効果を防ぐのに十分な高い降伏応力を示す必要があります 51。この要件は、12.5% (w/w) の修飾 CNC を含むシリコーンインクによって満たされます。降伏応力 1.3 kPa のこのインクは、歪みのないフィラメントの堆積を可能にし、図 2d に示すグリッド型構造など、3D に伸びるパーツの製造を可能にします。 3D ジオメトリには粘弾性インクが必要ですが、ピエゾ抵抗素子と導電素子をホストするために必要なインソールのより滑らかな領域は、重力と毛細管力の作用によってより滑らかな表面に平らにするのに十分な流動性を備えたインクを使用してのみ形成できます。この条件を満たすために、CNC 濃度が低い 5.0% (w/w) のインクを選択しました。印刷サンプルの光学顕微鏡分析により、このインクの表面粗さは 4.2 ± 1.5 μm となり、これは 12.5% (w/w) CNC を含む配合で達成される表面粗さよりも少なくとも 8 倍低いことが明らかになりました (図 2f)。印刷実験により、堅牢な電気コネクタとピエゾ抵抗素子を生成するには基板の平滑性が重要であることがわかりました (図 S1)。さらに、印刷されたピエゾ抵抗層の上に硬いバンプを導入すると、感知素子への力の伝達が強化され、センサーの感度が向上することがわかりました（図2g）。硬いバンプの存在により、人間工学と足のサポートが低下する可能性があるため、バンプが歩行に及ぼす影響を防ぎ、最終的なウェアラブルデバイスの長期信頼性を確保するために、追加のトポロジー層をインソールに印刷することができます。 12.5% (w/w) CNC を含むインクを使用して、センシング層上部の剛性バンプを作成しました。重要なのは、我々の結果は、修正された CNC と調整可能なグリッド設計を使用することで、ベースのシリコーンマトリックスの化学組成を変更することなく、インクのレオロジーと印刷材料の機械的特性を調整できることを示しています。

カーボンブラック粒子を充填した機能性インクを使用して、ピエゾ抵抗素子を滑らかなシリコン基板上に印刷することに成功しました（図2g）。ピエゾ抵抗応答を実現するために、これらのインクは、乾燥時に応力に敏感なカーボン粒子のネットワークの形成を誘導する溶媒で希釈されました。ピエゾ抵抗インクのレオロジー挙動は、ヒュームドシリカを配合物に組み込むことによって DIW 用に最適化されました (図 S2)。電子インソールの印刷に必要なインクのセットを完成させるために、市販の銀ベースの配合物を選択しました。このようなインクは、感知素子を接続する厚さ50〜100μmの線の回路を生成するために使用されました（図2g）。このインクのシリコン基板への密着性を向上させるために、特注の大気圧プラズマシステムを使用してエラストマーにパルスアークプラズマ処理を実行します。このシステムはプリンターに直接取り付けられ、製造プロセス中に基板のインライン表面処理が可能になります。銀コネクタの接着に対するこのような処理のプラスの効果は、テープ接着テストによって確認されました(図S3)。カーボンブラック - シリコーン複合材料の感知能力は、印加圧力の関数として印刷されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を測定することによって評価されました。さまざまなインク配合を使用して、カーボンブラック濃度を 4.0 ～ 5.0% (w/w) の範囲内で調整することで、ピエゾ抵抗素子の感度を 3 倍に高めることができることを観察しました (図 2h)。インクに添加する溶剤の種類と量をさらに最適化することで、センサーの安定性をさらに向上させることができました (図 S4)。対象用途では、インクの印刷適性とピエゾ抵抗性能の観点から、4.0% (w/w) のカーボンブラックと 80% の 1-ペンタノールの濃度が最適であることがわかりました。この最適なインクから印刷された材料の圧縮弾性率が測定され (図 S2d)、印刷された感知要素のゲージ係数の決定に使用されました。

上記の材料と印刷システムを使用して、歩行を監視するために柔軟なインソールに統合できる垂直力センサーとせん断力センサーの設計を開発しました。シンプルなひずみゲージ設計のセンサーは、5.0% (w/w) CNC を含む構造インクで印刷された基板上に 4.0% (w/w) カーボンブラックを含むピエゾ抵抗インクを DIW 印刷することによって製造されました。通常の圧力検知は、2 つの平行な銀電極上に配置された単一の長方形のピエゾ抵抗素子を使用するセンサー構成を使用して実現されました (図 3a.i)。このセンサーの動作原理は、通常の圧縮による引張歪みによって引き起こされる、感知ゲージの長手方向の導電経路における電気抵抗の増加に依存しています52。せん断力を測定するために、並列に配置された 2 つのピエゾ抵抗素子で構成される 2 番目のセンサー構成を使用しました。この設計では、2 つの要素間の電気抵抗の差を使用して、加えられるせん断力を定量化します (図 3a.ii)。シェブロン形状のピエゾ抵抗素子を利用して、一方向に機械的コンプライアンスを導入し、反対方向に抵抗を導入することで、同じせん断力下で 2 つの素子間にひずみ差が生じます。すべてのセンサーのひずみゲージは、より効果的な力の伝達と一貫した圧縮圧力を可能にするために、より剛性の高い構造インク (12.5% (w/w) CNC) で印刷されたバンプで覆われています。 3D プリンティングアプローチの有効性を示すために、複数のセンサーが製造され、事前に決定された一連のテスト条件を使用してテストされました。

ピエゾ抵抗センサーは垂直力とせん断力の測定に使用されます。 (ai、ii) (i) 法線センサーと (ii) せん断力センサーの画像と概略図。 (b–d) (b) 静的条件、および (c) 低周波または (d) 高周波の動的条件下での通常のセンサーの抵抗 (ΔR) の変化の形での応答。 (e、f) (e) 時間と (f) 加えられたせん断力の関数として、前後のセンサー間の抵抗の差の形で表されたせん断センサーの応答。 (g) 異なる垂直力とせん断力の下で正規化された抵抗変化 (%) として定量化されたせん断力センサーの感度。

当社の垂直力センサーの応答は、人間の使用に似た荷重ケースを、ウォーキング、ランニング、その他のスポーツ活動中にかかる足底圧に等しい荷重ケースを適用することによって決定されました。静的荷重に対する通常のセンサーの性能は、200 ～ 1000 kPa の圧力範囲にわたっていくつかのセンサー (n = 6) の最大荷重後 30 秒後の抵抗の変化 (ΔR) を測定することによって決定されました (図 3b)。この圧力範囲では、センサーの平均静的感度は 13.2 ± 0.5 Ω/kPa または 0.22 ± 0.03%/kPa (R2 = 0.998) であることがわかりました。観察されたピーク応答値の偏差は、センサー間のベースライン抵抗 (R0) のわずかな差に起因する可能性があり、その値は 6.1 ± 1.4 kΩ でした (図 S5)。このベースラインオフセットを校正することにより、センサーは、衝撃の小さいアクティビティと衝撃の大きいアクティビティの両方で足底圧を正確に感知できます。静的応答は、荷重を負荷する場合と除荷する場合の両方で、全荷重を適用した後、時間が経っても安定していることがわかりました (図 S6)。実験的に測定された8.2 ± 1.1 kΩの抵抗変化と9.2 ± 0.1 MPaの圧縮弾性率(図S2d)から、法線力センサーのゲージ率(GF)は31.2 ± 0.1と計算されました。

静的荷重条件に加えて、垂直力センサーの動的応答も、200、600、および 1000 kPa の選択された圧力を使用して評価されました。測定は、0.5 Hz、1 Hz、2 Hzの周波数で実行され、3 km/h未満（<1 Hz）の遅い歩行速度と18 km/hより速い走行速度を表しました（図3c、d、図S7） )55. 短い安定化期間の後、センサーの応答は、負荷 (ピーク) と無負荷状態 (谷) に対応する最大値と最小値をもつ高調波として見られます。これら 2 つの値の差が動的振幅として定義されます。これらの振幅は時間の経過とともに安定しており、5 ～ 30 分の時間間隔でのピークドリフトは 2% 未満であることがわかりました (図 S7)。これらの動的条件下でのピエゾ抵抗素子の感度を定量化するために、5 分ごとに測定されたピーク値と谷値を平均し、各テスト条件について分析しました (図 S8)。結果は、相対ピーク応答が作動圧力に応じて直線的に増加し、100 kPa あたり 16.9 ± 0.8% (R2 = 0.999) の感度になることを示しています。この感度は、おそらく加えられる負荷の過渡的な性質のため、静的テストで測定された感度よりわずかに低くなります。相対的な谷の値も同じ傾向に従いますが、変動は 100 kPa あたり 10.1 ± 2% (R2 = 0.989) と低くなります。谷の値に対して得られる感度の低下は、ピエゾ抵抗材料の粘弾性特性に関連している可能性があり、これにより初期状態に完全に戻ることが妨げられます。特に、負荷周波数はピエゾ抵抗センサーのピーク感度または谷感度のいずれにも大きな影響を与えませんでした（図S8b）。

せん断力センサーは、センサーを 400、600、および 800 kPa の常圧でクランプし、最大 15 N の力で負または正の方向にせん断することによって評価されました。正の方向は、つま先に向かって加えられるせん断力に対応します。一方、負の方向はかかとを指す力に関連付けられます（図3e）。せん断前、センサーはクランプ圧力下で 7.0 ± 0.8 kΩ の平均ベースライン抵抗 (RN) を示しました。加えられたさまざまなせん断力に対するセンサーの応答は、400、600、および 800 kPa のクランプ圧力に対するピエゾ抵抗素子の抵抗の変化 (R − RN) を測定することによって定量化されました。前部と後部のピエゾ抵抗素子の抵抗の変化をそれぞれ ΔRFront と ΔRBack と呼びます。実験データは、前後のピエゾ抵抗素子間の抵抗変化の差 (ΔRFront – ΔRBack) を測定することにより、センサーを使用して、垂直荷重に関係なく、加えられたせん断力の方向を効果的に区別できることを示しています (図.3f）。 600 kPa および 800 kPa の通常荷重では、測定された差分値と加えられたせん断力の間に直接の相関関係が観察されます。この相関関係により、適用される負荷圧力が十分に高い場合にせん断力の範囲を検出できます。このような機能は、切断やジャンプなど、一時的に高いせん断圧力を伴う激しいアクティビティを検出する場合に特に役立ちます。差の絶対値は常圧が増加すると高くなりますが、(ΔR/ΔRN) として定義される最高の感度は、圧力 400 kPa で達成され (図 3g)、値は 2.96 ± 0.11%/N ( R2 = 0.99)、600 ～ 800 kPa では 2.31 ± 0.28%/N です。これらの感度は、せん断方向とは無関係であることが判明しました。提示された結果は、開発された完全に 3D プリントされたピエゾ抵抗センサーが、歩行モニタリングに関連するさまざまな速度と圧力での広範囲の反復運動の検出に適していることを示しています。歩行圧力の検出では、ピーク応答のみを監視する必要があり、垂直力センサーではこれが線形で再現性があることが判明しています。最大圧力に加えて、身体活動の強度は信号の動的振幅によって決定できますが、測定された圧力値には数パーセントのわずかな誤差があります。せん断力の方向と大きさを測定できる機能は、開発されたピエゾ抵抗センサーの独自の機能であり、通常の圧力データによって提供される情報を補完します。最後に、動的テスト中に時間の経過とともに少量のドリフトが観察され、これはより遅い歩行ペースで最も強くなりました。この周波数とドリフトへの依存は、適切な信号処理アルゴリズムを開発することで修正できます。

開発したセンサーを使用して、リアルタイム歩行モニタリングのための垂直力とせん断力の両方の感知機能を備えた完全に統合された3Dプリント履物を初めて実証しました（図4a）。開発されたインソールのセンサーレイアウトは足の骨格構造に基づいており、広範囲の機械的負荷を受けることが予想される関心領域にセンサーが配置されています（図4b）。インソールは、構造インク (5.0% および 12.5% w/w CNC) を使用して印刷され、3 次元の基本形状、感知素子用のピエゾ抵抗インク (4% w/w カーボンブラック)、およびセンサー用の導電性インクを生成しました。電極と接続要素。センサーと電極を磨耗から保護するために、5.0% (w/w) CNC を含む構造インクを使用して、モノリシックカプセル化層もインソールベースの上に印刷されました。この追加層により、静的圧縮時の硬化効果とセンサー応答の増加が生じ、ピエゾ抵抗素子の感度が最大 16.8 ± 1.5 Ω/kPa または 0.3 ± 0.0%/kPa まで向上しました。さらに、カプセル化後にセンサーを再評価することにより、カプセル化によって引き起こされる可能性のあるクロストークが分析されました（図S10）。検出されたクロストークの誤差は 0.4% 未満または 0.1 kPa 未満であり、センサーの読み取り値に大きな影響を与えるものではありません。

埋め込みセンサーを備えた完全に 3D プリントされたインソールと、さまざまな種類の身体活動に対するその応答。 (a) インソール全体の写真。 (b) 足の骨格構造をセンサーレイアウトに重ね合わせたもの。四角はせん断センサーを示し、丸は通常の圧力センサーを示します。 (c) 余分な負荷を加えず、20 kg の追加体重を加えた状態で、被験者の足全体に埋め込まれたセンサーで感知された通常の足底圧とせん断力。 (d) 追加荷重の増加に伴うインソール内の重量配分。 (e–g) (e) 時速 2 km での坂道歩行、(f) 階段の上り下り、(g) 時速 4 km での歩行、および時速 6 km でのジョギングを含むいくつかの活動におけるセンサー信号とその変化。 h. パネルのイラスト (e ～ g) は Estevam Quintino によって提供されました (CC BY 4.0)。

インソールの歩行モニタリング機能を評価するために、約 70 kg の被験者によって静的および動的テストが実行されました。これらのモニタリング実験では、被験者はインソールを着用した状態でいくつかの身体活動を実行しました。垂直力とせん断力は、統合センサーを使用してこれらの活動中に捕捉されました。通常の足底圧力分布の静的評価も行うことができ、後足部で最も高い圧力が発生することがわかります。我々の結果は、総重量の 57.1 ± 1.7% が前足部の 42.8 ± 2.6% とは対照的に、足の後部で記録されたことを示しています (図 4c)。これらの値は、外部の足底圧測定装置を使用して行われた測定値と一致します56。圧力検出は、10 kg と 20 kg の追加重量を加えたバックパックを背負った被験者でさらに評価されました。これにより、通常の足底分布とその姿勢の両方が変化し、追加の重量により圧力分布がかかとの方に移動しました（図4d）。

静的解析を補完するために、靴インソールの性能を、異なる傾斜の地形での歩行、階段の上り下り、さまざまな速度でのランニングなど、いくつかの動的歩行モードの下でさらに調査しました（図4e-g）。結果はすべて、垂直力センサーとせん断力センサーからのデジタル電圧出力として報告されます。表面の急勾配が歩行に及ぼす影響を実証するために、傾斜したトレッドミル上での歩行中に法線力とせん断力を測定しました。歩行テストは、平坦な路面、15°の中勾配、30°の急勾配で時速2 kmのゆっくりとしたペースで実行されました（図4e）。

得られた動的センシングデータから、被験者は姿勢を変えることで傾斜の増加を補っていることが分かりました。これは、前足部により多くの体重が移動することによる正常な圧力の再配分によって証明されており、これは外部デバイスで測定された以前の結果と一致しています57。平坦な表面で高圧負荷がかかっていないセンサーの場合、その応答は傾斜した条件下でも大きく変化しませんでした。スタンスの変化もせん断力データによって捕捉されます。これらの力は、一対のゲージからの応答を差し引くことによって生成される差分信号の観点から評価されます。 2 セットのゲージペアが考慮されます。1 つは後足部に、もう 1 つは前足部に配置されます。どちらのセンサーセットでも、かかと (つま先) に向かってせん断力がかかると、差動信号は正 (負) になります。平らな表面では、両方のせん断力信号が約 6.3 ± 0.9 au という同等の大きさを示しますが、極性が逆であることが測定により明らかになりました。これは、光学センサーを備えたインソールを使用して測定されたせん断力と同様に、前足部ではつま先の方向に、後足部ではかかとの方向にせん断力がかかることを意味します58。ただし、表面が 15° に傾斜すると、前足部の電圧の極性がマイナスからプラスに変化します。これは、前足部と後足部のせん断力が両方ともかかとに向かってかかることを示します。かかとで検出されるせん断力の振幅は、15°の傾斜で約 18% 減少し、30°の傾斜で不規則かつ双方向になります。これはおそらく、傾斜の増加に伴う歩幅の減少とケイデンスの変化によるものと考えられます59。

私たちのインソールは、独特のタイプの歩行を構成する階段の上り下り中にもテストされました（図4f）。被験者が階段を上るとき、もう一方の脚を次のステップに置くために体全体を持ち上げる必要があるため、後足を除く足のすべての領域に高い常圧がかかります。足の残りの部分が触れる前にかかとが最初に次の一歩を踏み出すため、足後部の信号はせん断力によって支配されます。同様のシナリオは、被験者が階段を下りているときにも見られます。ここでも、被験者は安定する前に足の前部に全体重をかけて着地するため、足の後部を除くすべての領域で高い常圧が検出されます。この不安定性により、被験者が 30 度の傾斜で歩いている場合に観察されるのと同様の双方向のせん断運動が発生します。ただし、この場合、高いせん断力が発生するのは前足部、つまり、下り歩くときに次の階段の段に最初に触れる領域です。

最後に、被験者に 4 km/h の速度で歩行させ、6 km/h で軽くジョギングさせることで、より速い歩行時のインソールの応答をテストしました (図 4g)。これらの条件下では、すべてのセンサーが歩行の発達を記録することができました (図 S10)。速度を 4 km/h から 6 km/h に上げると、常圧が 2.5 ± 0.6 倍増加することが観察され、これは文献に記載されている値と一致します 57,60。さらに、両方向に発生するせん断力が示すように、速度が速くなると足の配置が不安定になります。これらのせん断パターンは、30 度の傾斜や階段を下りる場合のせん断パターンと似ています。全体として、当社のリアルタイム歩行モニタリングテストは、インソール全体の特定の位置に配置された垂直力センサーとせん断力センサーの組み合わせが、歩行モードと物理的運動の強さを識別するための青写真として効果的に使用できる広範な運動データを提供することを実証しています。活動。

要約すると、人間の歩行の正常圧力およびせん断圧力のモニタリングに適した、統合型ピエゾ抵抗センサーを備えた完全 3D プリントインソールの製造用の機能性インクを開発しました。これらのセンサーをインソールの患者固有の位置に配置することで、現実世界の状況での歩行を識別して定量化することができます。原材料は容易に入手でき、デスクトップ押出ベースのプリンターを使用して室温で加工できるため、この製造プラットフォームは費用対効果が高く、インソールをその場で適応できる整形外科施設にも容易に導入できると期待しています。医師および整形外科医によるユーザーの注意。さらに、インク配合物に使用されているシリコーンの生体適合性により、当社の材料は肌に安全で、柔軟性があり、人間が着用しても丈夫です。したがって、提案された技術は、リハビリテーションとスポーツパフォーマンスの両方の歩行を同様に測定できるカスタムスマートフットウェアへの道を開くはずです。

トリメトキシメチルシラン (MTMS) と 1-ペンタノールは Sigma-Aldrich から購入しました。カーボンブラック微粉末 (Ketjenblack EC-300J) は Nouryon から入手しました。疎水性ヒュームドシリカ (HDK 30) は Wacker Chemie AG から入手し、セルロースナノクリスタル (CNC、CelluForce NCV10) は CelluForce から入手しました。プロジェクト全体で使用されたシリコーンエラストマー SYLGARD 184 は Dow Chemical から供給され、銀ベースのインク (Ag Paste 520 EI) とシンナーは Chimet SpA から購入されました。

MTMS による CNC のシラン化は、確立されたプロトコル 61 に従って実行されました。簡単に説明すると、1.7 gのMTMSを500 mlの蒸留水(MilliQ)に滴下し、得られた溶液のpHをHClを使用してpH 4に調整した。一方、５ｇのＣＮＣを２５０ｍｌのＭｉｌｌｉＱ水に分散させ、得られた懸濁液のｐＨをＨＣｌを使用して４に調整した。 2 つのバッチの pH が安定した後、MTMS 溶液を撹拌しながら CNC 懸濁液に滴下し、混合物を 1 時間放置してシラン化反応を可能にしました。次に、懸濁液を液体窒素で凍結し、凍結乾燥して、糸状の CNC-MTMS 粉末を得ました。

導電性銀ペースト (Chimet、Ag Paste 520 EI) を 10% (w/w) シンナーで希釈した後、電極とセンサーの接続を印刷するために使用しました。 4% (w/w) カーボンブラックを含むピエゾ抵抗シリコーンベースのインクを調製するために、プラネタリーミキサー (Thinky、ARE-250) を使用して 2000 で 5 分間、0.20 g のカーボンブラック微粉末を 3.49 g の 1-ペンタノールに混合しました。回転数。その後、０．４４ｇの疎水性ヒュームドシリカおよび３．９６ｇのＳＹＬＧＡＲＤ１８４エラストマーベースをバッチに添加し、プラネタリーミキサー中で２０００ｒｐｍで５分間再度混合した。次いで、得られたペーストを、３本ロールミル（ＥＸＡＫＴＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、ＥＸＡＫＴ８０）を使用して１０μｍまで粉砕した。最後に、ＳＹＬＧＡＲＤ１８４硬化剤を、粉砕後のペースト中に存在するエラストマーベースの量に対して１：１０（ｗ／ｗ）の比で混合物に添加した。次に、ピエゾ抵抗インクを直接使用して感知素子を印刷しました。 5% (w/w) 修飾 CNC を含む構造用シリコーンベースのインクを調製するために、プラネタリーミキサーを使用して 2000 rpm で 5 分間、MTMS コーティングされた CNC 0.50 g を SYLGARD 184 エラストマーベース 8.64 g に混合しました。得られたペーストを 3 ロールミルを使用して 10 μm まで粉砕した後、混合物に SYLGARD 184 硬化剤 0.86 g を加えました。 12.5% (w/w) MTMS コーティングされた CNC を含む構造インクは、同じ手順に従って調製されました。この場合、MTMS コーティングされた CNC 1.25 g を SYLGARD 184 エラストマーベース 7.95 g に添加し、プロセスの最後に SYLGARD 184 硬化剤 0.80 g を添加しました。

研究全体で使用された印刷システムは、Stepcraft D420 リグに基づいて社内で組み立てられました (図 S12a)。このようなリグには、一度に 3 つのツールを保持できるカスタムメイドの印刷ヘッドが取り付けられていました (図 S12b)。構造用シリコーンベースのインクはプログレッシブキャビティポンプ (Preeflow、eco-PEN300) を使用して印刷されましたが、他のインク配合物は空気圧コントローラーを使用して堆積されました。このリグには、インクを活性化して層間接着を改善するためのプラズマシステム (Relyon、プラズマブラシ PB3) も取り付けられていました。印刷された構造は薄くて軽量であるため、熱硬化を確実にするために加熱プレートがプリンターに組み込まれています。当社のシステムを使用してより高い形状を印刷する必要がある場合は、印刷が適切に硬化されていることを確認するために追加の加熱チャンバーを使用する必要があります。印刷に使用されるすべての G コードは、Grasshopper for Rhinoceros (McNeel) で開発されたカスタム作成のスライサーを使用して取得されました。

圧縮試験と引張試験はすべて卓上機械試験機（AGS-X、島津製作所）を使用して実施しました。圧縮測定と引張測定は両方とも 5 mm/s の変位速度で実行されました。圧縮試験には、厚さ 6 mm、直径 19 mm の円筒形サンプルを使用しました。引張試験にはドッグボーン試験片を使用しました。すべてのレオロジー試験は、ギャップ 1 mm のサンドブラスト平行プレート形状 (PP25) を使用して、応力制御されたコンパクトレオメーター (Anton Paar MCR 302) で 25 °C で実行されました。振幅掃引は 1 Hz の周波数で実行されました。弾性回復試験は、印刷プロセス中にインクにかかる力をシミュレートするために、1% ひずみおよび 1 Hz での振動測定と 50 s-1 のせん断速度での回転測定を交互に行うことによって実施されました。

接着試験は、導電性インクをさまざまな基板上に印刷して得られた 1 × 1 cm2 の銀パッチで実行されました。各正方形はメスで格子状に切断され、49 の異なる正方形領域が得られました。スコッチ輸送用梱包テープを各サンプルに貼り付け、10 秒間の接着時間後に取り外しました。次に、ASTM F1842-15 規格に従って接着スコアを評価しました (図 S3)62。

すべてのセンサーの静的および動的応答は、機械的テスター (Instron 3340) を使用して圧縮圧力を加えながらピエゾ抵抗素子の電気抵抗を測定することによって定量化されました。センサーの抵抗は、Agilent 34410/11A デジタルマルチメーターを 2 点プローブモードで使用して測定しました。粘弾性の影響は、20 kPa/s のサイクル速度で最大適用荷重 (1000 または 800 kPa) までセンサーをサイクルさせてセンサーを暖めることによって軽減されました。

静荷重下でのセンサーの評価は、200 kPa から 1000 kPa までの圧力で 200 kPa ずつ実行されました。測定は、ロードサイクルとアンロードサイクルの両方で行われました。センサーの応答は Python スクリプトを使用して処理されました。信号の安定化を考慮して、最大負荷を加えてから 30 秒後にピエゾ抵抗素子の電気抵抗を測定しました。

ヒステリシス試験 (図 S9) は、負荷率 20 kPa/s で 200、600、1000 kPa の負荷を合計 3 サイクル適用することによって実行されました。取得したデータは Python スクリプトを使用して処理され、ヒステリシスの割合が決定されました。

センサーの動的応答は、動的機械試験機 (Bose Electroforce 3400) を使用し、サイクル速度 0.5、1、および 2 Hz で、圧縮圧力 200、600、および 1000 kPa で評価されました。信号は Python スクリプトを使用して処理され、電気出力の時間依存特性が決定されました。

せん断試験は、400、600、および 800 kPa の圧縮荷重下で機械試験機 (Instron 3340) で実行されました。カスタム構築されたせん断セットアップを使用して、両方の感知方向に対して 5、10、15、20 N のせん断力を連続的かつ個別に適用しました。せん断力荷重は、専用のロードセル (Futek FSH00096) とコントローラー (Futek IPM650) を使用して記録されました。

インソールのテストでは、マイクロコントローラー (Adafruit Feather 32u4) と接続されたカスタムメイドの分圧器を使用してセンサー信号をキャプチャしました。データは、データを取得して処理できる社内開発の Python スイートを使用して収集されました。

電子読み出し回路を柔らかいインソールに接続できるように、センサーからのリード線の上に銀ペースト (Chimet、Ag Paste 520 EI) をステンシル印刷して、フレキシブルな銅パターンのプリント基板 (PCB) との接続を作成しました。）。硬化後、接続は室温加硫 (RTV) シリコーンでカプセル化され、堅牢な接触が形成されました。

印刷されたインソールのテストは、人間の参加者の支援を受けて実行されました。試験前に参加者からインフォームドコンセントを得た。このプロジェクトにおける人間の参加者の使用は、ローザンヌ連邦エコール工科大学人間研究倫理委員会 (HREC)、No: 016-2021 によって承認されました。すべてのテストは、関連するガイドラインと規制に従って実行されました。

補足情報は、いくつかの追加のプロットとグラフィック、および 2 つのビデオを含む .pdf ドキュメントの形式で添付されています。この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応著者から入手できます。

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Marco R. Binelli と Ryan van Doommelen も同様にこの作業に貢献しました。この研究への資金は、D-SENSE プロジェクトの一環として、スイス ETH ドメインの Strategic Focus Area Advanced Manufacturing (SFA-AM) によって提供されました。著者らは、インソールから信号を取得するための電子機器およびソフトウェアスイートに関する取り組みについて、Madeleine Kyne に感謝したいと思います。さらに著者らは、ローザンヌ大学病院 (CHUV) のスイスバイオモーションラボの Julien Favre 博士と、歩行分析と人間の動作に関するアドバイスと支援をいただいた NUMO Systems AG の Laurent Hoffman 氏に感謝の意を表します。プロジェクトに向けて。著者らは、この作品に含まれるいくつかのイラストの実現に協力してくれた Estevam Quintino に感謝しています。最後に、著者らは、ヌーシャテル大学 (UniNe) のスポーツ施設への支援とアクセスについて、Bertrand Robert に感謝したいと思います。

著者 Marco R. Binelli と Ryan van Doommelen も同様に貢献しました。

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ライアン・ヴァン・ドメレン、ジェミン・キム、ルバイェット・I・ハク、ダニク・ブリアン

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ヤニック・ネーゲル & ジルベルト・シケイラ

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実験は DB、ARS、GS、RIH、JK、YN、RD、MRB によって設計されました。MRB と YN は、シリコーン複合インクの開発とセンサーとインソールのプロトタイプの印刷に貢献しました。 FC は 3D プリンティングインフラストラクチャの開発を主導しました。 RD、RIH、JK は、センサーの設計、インソールのレイアウト、センサーの特性評価に貢献しました。 ARS、GS、DB が研究を監督し、実験を支援しました。主要論文とすべての図を含むサポート情報は、MRB と RD によって共同執筆および作成され、著者全員が結果と結論について議論し、すべての段階で原稿を改訂しました。

Gilberto Siqueira、André R. Studart、または Danick Briand への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

ビネリ MR、ファンドメレン R.、ナーゲル Y. 他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。 Sci Rep 13、1962 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29261-0

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受信日: 2022 年 12 月 15 日

受理日: 2023 年 2 月 1 日

公開日: 2023 年 2 月 3 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29261-0

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