Ученые разработали метод, позволяющий сделать протезы прочнее и надежнее
Ключевая деталь протеза — гильза, которая принимает на себя всю нагрузку при движении. С помощью 3D-печати ее изготавливают по индивидуальным параметрам тела, но из-за анатомических особенностей давление в ней распределяется неравномерно, что со временем может приводить к повреждениям и угрозе безопасности. Ученые Пермского Политеха разработали метод «интеллектуального армирования» для решения этой проблемы. На основе компьютерного моделирования в самые нагруженные зоны гильзы локально встраивают углепластиковые нити, что позволяет на 40% усилить конструкцию.
Протез — высокотехнологичное устройство, призванное заменить утраченную конечность и вернуть человеку способность двигаться. Однако надежность всей конструкции во многом определяется элементом, находящимся в основании протеза, — культеприемной гильзой, которая соединяет его с телом человека.
Это связующее звено, которое должно решать две основные задачи: быть идеально удобной для пользователя и одновременно выступать в роли прочной несущей конструкции. Именно на гильзу приходится основная силовая функция при ходьбе. Она принимает на себя вес всего человека, ударные усилия при каждом движении, импульсы при беге или прыжке.
При классическом изготовлении гильза формируется из однородных материалов с практически неизменяемой толщиной и жесткостью, из-за чего давление при ходьбе концентрируется в локальных зонах контакта. Это приводит к болевым ощущениям, кожным повреждениям, ускоренному износу гильзы и необходимости частых подгонок.
3D-печать решает ключевую проблему неравномерного распределения нагрузок в культеприемной гильзе, возникающую из-за индивидуальной анатомии культи и ограничений традиционного производства. Аддитивное производство позволяет локально управлять геометрией, жесткостью и архитектурой гильзы: изменять толщину стенок, вводить решетчатые или ауксетичные структуры, а также применять направленное армирование в зонах повышенных нагрузок.
Ученые Пермского Политеха разработали метод «интеллектуального армирования», основанный на локальном внедрении углепластиковых нитей в наиболее нагруженные зоны гильзы. Технология основана на детальном компьютерном моделировании и позволяет усиливать конструкцию именно там, где при ходьбе возникают максимальные механические воздействия. Статья опубликована в журнале Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics.
— В качестве материала для армирования были выбраны углепластиковые нити. Они обладают уникальным сочетанием свойств, критически важных для протеза: невероятно прочные и жесткие, но при этом очень легкие. Нить из такого углепластика диаметром всего 0,3 миллиметра выдерживает нагрузку до 520 МПа, в то время как предел прочности нейлона, из которого печатается гильза, составляет около 15,5 МПа. Именно это позволяет точечно усиливать конструкцию в самых слабых местах, не утяжеляя ее и сохраняя идеальное прилегание к телу пациента, — объяснила Дарья Долгих, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
По сути, технология создает для гильзы индивидуальный «цифровой скелет». Для этого на основе 3D-скана культи строится виртуальная модель и осуществляется расчет распределения давления при ходьбе. Таким образом находятся «горячие точки» — участки максимальной нагрузки, где риск поломки самый высокий. Затем в эти зоны цифровой модели встраивается каркас из тонких углепластиковых стержней.
— Наш подход позволяет гибко настраивать ключевые параметры усиления: количество углеродных нитей, шаг между ними и глубину залегания. Это обеспечивает оптимальное перераспределение нагрузки, когда углеродные волокна берут на себя основное механическое напряжение, предотвращая разрушение полимерного материала гильзы, — рассказал Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Расчеты показывают, что такая конфигурация снижает опасную нагрузку на пластик более чем на 40%, что делает гильзу чрезвычайно устойчивой к разрушению при использовании.
На практике это будет работать следующим образом. Врач снимет с культевой области пациента 3D-скан и загрузит его в программу, которая рассчитает индивидуальную карту нагрузок и создаст цифровую инструкцию для специального 3D-принтера. Оборудование, следуя ей, в процессе печати из нейлона будет автоматически вплетать в гильзу карбоновые стержни — прямо в ее самые уязвимые точки. На выходе получится готовое, уже усиленное изделие.
Разработка уже прошла этап комплексного компьютерного моделирования и представляет собой готовую методологию для внедрения в производство. В перспективе это может существенно улучшить качество жизни тысяч людей с ампутациями, повысив надежность и безопасность протезов.
Telegram 
Дзен 
VK Больше половины студентов регулярно читают учебные тексты под музыку, хотя многие научные работы утверждают, что это вредит пониманию текста. Исследователи из Университета Эдит Коуэн выяснили, что эта привычка определяется не когнитивными способностями вроде силы внимания, а тем, насколько важную роль музыка играет в жизни конкретного человека.
Эффект Даннинга — Крюгера, который описывает резкий всплеск уверенности в своих силах у новичков и такое же стремительное ее падение при наборе опыта, объясняется особенностями процесса обучения и набора новых знаний. К такому выводу пришли сотрудник факультета экономических наук НИУ ВШЭ Андрей Ворчик вместе с независимым исследователем Муратом Мамышевым. Они разработали математическую модель процесса обучения и показали, как формируется и изменяется субъективная уверенность по мере накопления знаний и как преподаватель может уменьшить «долину отчаяния» для ученика.
Чтение в дошкольном возрасте — это важная часть обучения, общения и воспитания. Оно помогает понимать смысл, задавать вопросы, удерживать внимание и постепенно входить в культуру общения с книгой. Кроме того, для маленького ребенка это новый способ взаимодействия с родителем. Сегодня эта тема особенно актуальна, потому что интерес детей к чтению снижается, а книги все чаще не выдерживают конкуренции с яркими видеоформатами. На рынке появляются книги с интерактивными элементами или элементами дополненной реальности: оживающие картинки, запахи, звуки.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Китайский аппарат Tianwen-1, находясь на орбите Марса, снял 3I/ATLAS с редкого ракурса вне плоскости орбиты межзвездной кометы. Наблюдение и моделирование показали, что кому кометы заполняют крупные частицы размером в сотни микрометров, выбрасываемые с массовым расходом примерно тонна в секунду.
Во всем мире во всех человеческих культурах около 90% людей пользуются преимущественно правой рукой. Такое поразительное единство практически всего человечества не имеет аналогов среди приматов и до сих пор остается эволюционной загадкой. Ученые проанализировали данные о более чем двух тысячах человекообразных обезьянах и выяснили, когда и почему праворукость стала популяционной тенденцией.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Спустя два с половиной года после того, как подводный аппарат обнаружил на дне залива Аляска загадочный «золотой шар», ученым, наконец, удалось разобраться в природе этого объекта. Они пришли к выводу, что это отброшенная часть оболочки или основания гигантской глубоководной актинии.
Палеонтологи описали новый вид хищного клопа из мелового периода, передние лапы которого эволюционировали в клешни-пинцеты. Подобная анатомическая трансформация стала лишь четвертым задокументированным случаем за всю историю насекомых. Ископаемый вид получил название в честь корейской поп-группы Stray Kids из-за характерного положения застывших в смоле конечностей.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно