Dans les sports de haut niveau, les 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 combattre leur inconfort.
Des chercheurs de l’ETH Zurich, de l’Empa et de l’EPFL développent une semelle 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 ou les patients à déterminer leurs performances et les progrès de leur thérapie.
Un dispositif, des encres multiples
Ces semelles ne sont pas seulement faciles à utiliser, elles sont aussi faciles à fabriquer. Elles sont produites 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 différentes encres développées spécifiquement pour cette application. Pour la semelle, les spécialistes des matériaux utilisent un mélange de silicone et de nanoparticules de cellulose.
Ils impriment ensuite 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 précis, à l’aide d’une encre contenant du noir de carbone. Les capteurs ne sont pas répartis au hasard : ils sont placés exactement là où la pression exercée par la semelle du pied est la plus forte. Pour protéger les capteurs et les conducteurs, les chercheurs les recouvrent d’une autre couche de silicone.
La difficulté initiale était d’obtenir une bonne adhérence entre les différentes couches de matériaux. Les chercheurs ont résolu ce problème en traitant la surface des couches de silicone au plasma chaud.
Comme capteurs pour mesurer les forces normales et de cisaillement, ils utilisent des composants piézoélectriques, qui convertissent la pression mécanique en signaux électriques. En outre, les chercheurs ont intégré une interface dans la semelle pour lire les données générées.
Les données de course bientôt lues sans fil
Les tests ont montré aux chercheurs que la semelle fabriquée de manière additive fonctionne bien. « Grâce à l’analyse des données, nous pouvons identifier différentes activités en fonction des capteurs qui ont réagi et de l’intensité de cette réaction« , explique le chef de projet Gilberto Siqueira, assistant principal à l’Empa et au Laboratoire des matériaux complexes de l’ETH.
Pour l’instant, 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. L’une des prochaines étapes du développement consistera à 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 et dotées de 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 alors être ajustés et des semelles permanentes avec différentes zones dures et souples peuvent être produites grâce à l’impression 3D.
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