Des chercheurs de l’ETH Zurich, de l’Empa et de l’EPFL développent une semelle intérieure imprimée en 3D avec des capteurs intégrés qui permet de mesurer la pression de la semelle dans la chaussure et donc lors de n’importe quelle activité. Cela aide les athlètes ou les patients à déterminer les performances et les progrès de la thérapie.
Dans les sports d’élite, des fractions de seconde font parfois la différence entre la victoire et la défaite. Pour optimiser leurs performances, les athlètes utilisent des semelles sur mesure. Mais les personnes souffrant de douleurs musculo-squelettiques se tournent également vers les semelles pour lutter contre leur inconfort.
Avant que les spécialistes puissent ajuster avec précision de telles semelles, ils doivent d’abord créer un profil de pression des pieds. À cette fin, les athlètes ou les patients doivent marcher pieds nus sur des tapis sensibles à la pression, où ils laissent leurs empreintes individuelles. Sur la base de ce profil de pression, les orthopédistes créent ensuite à la main des semelles personnalisées. Le problème avec cette approche est que les optimisations et les ajustements prennent du temps. Un autre inconvénient est que les tapis sensibles à la pression permettent des mesures uniquement dans un espace confiné, mais pas pendant les entraînements ou les activités de plein air.
Désormais, une invention d’une équipe de recherche de l’ETH Zurich, de l’Empa et de l’EPFL pourrait grandement améliorer les choses. Les chercheurs ont utilisé l’impression 3D pour produire une semelle intérieure personnalisée avec des capteurs de pression intégrés qui peuvent mesurer la pression sur la plante du pied directement dans la chaussure lors de diverses activités.
Vous pouvez dire à partir des modèles de pression détectés si quelqu’un marche, court, monte des escaliers ou même porte une lourde charge sur le dos – auquel cas la pression se déplace davantage vers le talon. »
Gilberto Siqueira, Co-Project Leader, Senior Assistant à l’Empa et au Laboratoire des matériaux complexes de l’ETH
Cela fait des tests de tapis fastidieux une chose du passé. L’invention a récemment été publiée dans la revue Rapports scientifiques.
Un appareil, plusieurs encres
Ces semelles ne sont pas seulement faciles à utiliser, elles sont également faciles à fabriquer. Ils sont produits en une seule étape – y compris les capteurs et les conducteurs intégrés – à l’aide d’une seule imprimante 3D, appelée extrudeuse.
Pour l’impression, les chercheurs utilisent diverses encres développées spécifiquement pour cette application. Comme base de la semelle intérieure, les scientifiques des matériaux utilisent un mélange de nanoparticules de silicone et de cellulose.
Ensuite, ils impriment les conducteurs sur cette première couche à l’aide d’une encre conductrice contenant de l’argent. Ils impriment ensuite les capteurs sur les conducteurs à des endroits individuels en utilisant de l’encre contenant du noir de carbone. Les capteurs ne sont pas répartis au hasard : ils sont placés exactement là où la pression plantaire est la plus forte. Pour protéger les capteurs et les conducteurs, les chercheurs les enduisent d’une autre couche de silicone.
Une première difficulté était d’obtenir une bonne adhérence entre les différentes couches de matériau. Les chercheurs ont résolu ce problème en traitant la surface des couches de silicone avec un plasma chaud.
En tant que capteurs pour mesurer les forces normales et de cisaillement, ils utilisent des composants piézo, qui convertissent la pression mécanique en signaux électriques. De plus, les chercheurs ont intégré une interface dans la semelle pour lire les données générées.
Les données en cours d’exécution seront bientôt lues sans fil
Les tests ont montré aux chercheurs que la semelle intérieure fabriquée de manière additive fonctionne bien. « Ainsi, avec l’analyse des données, nous pouvons en fait identifier différentes activités en fonction des capteurs qui ont répondu et de la force de cette réponse », explique Siqueira.
Pour le moment, Siqueira et ses collègues ont encore besoin d’une connexion par câble pour lire les données ; à cette fin, ils ont installé un contact sur le côté de la semelle intérieure. L’une des prochaines étapes de développement, dit-il, sera de créer une connexion sans fil. « Cependant, la lecture des données n’a pas été l’objectif principal de notre travail jusqu’à présent. »
À l’avenir, les semelles imprimées en 3D avec des capteurs intégrés pourraient être utilisées par les athlètes ou en physiothérapie, par exemple pour mesurer les progrès de l’entraînement ou de la thérapie. Sur la base de ces données de mesure, les plans d’entraînement peuvent ensuite être ajustés et des semelles de chaussures permanentes avec différentes zones dures et souples peuvent être produites à l’aide de l’impression 3D.
Bien que Siqueira pense qu’il existe un fort potentiel de marché pour leur produit, en particulier dans les sports d’élite, son équipe n’a encore pris aucune mesure en vue de la 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 plate-forme d’impression. Le Centre hospitalier universitaire vaudois (CHUV) et l’entreprise d’orthopédie Numo ont également participé au projet. Le projet a été financé par le programme Advanced Manufacturing Strategic Focus Areas du Domaine des EPF.
