센서가 내장된 맞춤형 신발의 디지털 제조

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1962(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

더욱 정확하고 개인화된 건강 모니터링 기술에 대한 강력한 임상적 요구로 인해 적층 제조된 웨어러블 장치의 개발이 필요해졌습니다. 적층 제조를 위한 재료 팔레트가 계속 확장되고 있지만, 통합된 작업 흐름에서 재료, 디자인 및 디지털 제조 방법을 통합하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. 본 연구에서는 압저항 센서가 내장된 실리콘 기반 소프트 웨어러블의 통합 제작을 위한 3D 프린팅 플랫폼을 제안합니다. 셀룰로오스 나노결정 및/또는 카본 블랙 필러를 포함하는 실리콘 기반 잉크는 수직력과 전단력을 모두 측정할 수 있는 캡슐화된 센서를 갖춘 신발 깔창 시연자의 직접 잉크 쓰기에 철저히 설계 및 사용되었습니다. 예상되는 발바닥 압력에 맞게 재료 특성을 미세 조정함으로써 환자 맞춤형 신발 깔창을 실온에서 완전히 3D 프린팅하여 신체 활동 중 현장 보행 힘을 측정했습니다. 또한 디지털화된 접근 방식을 통해 센서 레이아웃을 신속하게 조정하여 특정 사용자 요구 사항을 충족하고 여러 번의 빠른 반복을 통해 개선된 깔창을 제작할 수 있습니다. 개발된 재료와 작업 흐름을 통해 건강 모니터링을 위한 차세대 완전 3D 프린팅 소프트 전자 장치가 가능해졌습니다.

보다 정확하고 개인화된 건강 모니터링에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 의료 표준은 지속적으로 개선되고 있습니다1,2,3,4,5,6,7. 이러한 요구는 엄격한 임상 요구 사항을 해결하려는 의료 부문뿐만 아니라 자신의 건강 상태와 신체 상태를 더 잘 알고 싶어하는 운동선수 및 스포츠 애호가로부터도 발생합니다3,8. 이 문제를 해결하기 위해 사용자의 편안함을 희생하지 않고 장기간1에 걸쳐 생리학적 건강 지표를 제공하는 맞춤형 소프트 웨어러블 감지 시스템이 개발 중입니다9,10. 지속적인 건강 모니터링을 위한 한 가지 대상 응용 프로그램은 보행 분석으로, 이는 전반적인 건강11, 노화12,13, 스포츠 성과 및 부상 회복14에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 보행 모니터링 웨어러블1,9을 실현하기 위해 재료 및 센서 개발 측면에서 많은 발전이 이루어졌지만 사용자에게 쉽게 맞춤 설정할 수 있는 완전한 솔루션은 거의 없습니다. 또한 보행 동작 측정의 표준은 자유 생활 모니터링에 사용할 수 없는 고정 계측10,15에 계속 의존하고 있습니다. 이러한 맥락에서 관성 센서는 웨어러블 솔루션으로서의 가능성을 보여주었습니다16. 그러나 이를 활용하는 데 필요한 측정 프로토콜은 아직 개발 중이며 환자별 장치를 사용한 장기 모니터링은 아직 입증되지 않았습니다17.

센서가 통합된 양말과 깔창 형태의 전자 신발은 보행을 안정적으로 측정하는 매력적인 전략을 제공하는 동시에 사용자에게 높은 수준의 편안함을 제공합니다. 깔창은 쉽고 비침해적으로 신발에 삽입할 수 있기 때문에 보행 동작 모니터링에 이상적인 후보입니다. 깔창의 모양, 위치 및 재질을 맞춤화하면 자세를 교정하고 발바닥 압력 분포를 개선하여 보행을 향상시키고 추가 건강 문제를 예방할 수 있는 기회를 제공합니다14,19. 더욱이, 조정 가능한 강성과 기하학을 갖춘 깔창을 사용하면 스포츠 성능에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다20. 최첨단 깔창에 센서를 통합하는 것은 개방형 제조 과제이며 이에 대한 다양한 개념이 제안되었습니다. 지금까지 용량성21,22, 압저항23, 힘 감지 저항기24 및 마찰전기25,26 압력 센서를 포함한 통합 기계적 감지 메커니즘을 사용하여 여러 탄성 중합체 스마트 발바닥 감지 시스템이 개발되었습니다. 이러한 통합 시스템은 릴-투-릴 제조27, 레이저 유도28 또는 클린룸 제조29를 사용하여 제조되었습니다. 이러한 매력적인 개발에도 불구하고 현재 접근 방식은 디지털화 및 개인화에 대한 증가하는 수요를 충족할 수 없는 기존 제조 워크플로에 여전히 의존하고 있습니다.