Dans les sports d'élite, 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.

Avant que les spécialistes puissent adapter ces semelles avec précision, ils doivent d'abord établir un profil de pression des pieds. Pour ce faire, les athlètes ou les patients doivent marcher pieds nus sur des tapis sensibles à la pression, où ils laissent leurs propres empreintes. Sur la base de ce profil de pression, les orthopédistes créent ensuite à la main des semelles sur mesure. Le problème de cette approche est que les optimisations et les ajustements prennent du temps. Un autre inconvénient est que les tapis sensibles à la pression ne permettent pas de prendre des mesures que dans un espace confiné, mais pas pendant les séances d'entraînement ou les activités de plein air.

Dans le cadre d'un projet commun, des chercheurs de l'ETH Zurich, l'Empa et de l'EPFL ont utilisé l'impression 3D pour produire une semelle 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.

Le co-chef de projet Gilberto Siqueira, assistant principal à l’Empa et au Laboratoire des matériaux complexes de l'ETH, explique: "Les modèles de pression détectés permettent de savoir si une personne marche, court, monte des escaliers ou porte une lourde charge sur le dos, auquel cas la pression se déplace davantage vers le talon." Les tests fastidieux sur les tapis appartiennent désormais au passé. L'invention a récemment fait l'objet d'un article dans la revue "Scientific Reports".

La fabrication des semelles est simple, tout comme leur utilisation. Elles sont fabriquées en une seule étape - y compris les capteurs et les conducteurs intégrés - à l'aide d'une seule imprimante 3D, appelée extrudeuse. Les chercheurs utilisent différentes encres développées spécifiquement pour cette application. Les spécialistes des matériaux ont utilisé un mélange de nanoparticules, de silicone et de cellulose comme base de la semelle.

Sur cette première couche, ils impriment ensuite les pistes conductrices à l'aide d'une encre conductrice contenant de l'argent, puis les capteurs à certains endroits - avec de l'encre contenant du noir de carbone. La répartition des capteurs n'est pas aléatoire : ils sont placés exactement là où la pression de la plante des pieds est la plus forte. Pour protéger les pistes conductrices et les capteurs, les chercheurs les recouvrent d'une autre couche de silicone.

La semelle pourrait à l'avenir soutenir les sportifs ou mesurer les progrès en physiothérapie. Vidéo : ETH Zurich

L'une des difficultés initiales a été d'obtenir une bonne adhérence entre les différentes couches de matériaux. Les chercheurs ont donc traité la surface des couches de silicone avec un plasma chaud.

Les capteurs sont des composants piézoélectriques, qui convertissent la pression mécanique en signaux électriques. Ils mesurent les forces normales et de cisaillement. Les chercheurs ont également intégré une interface dans la semelle pour lire les données générées.

Lors de la dernière étape de travail, les pistes conductrices et les capteurs sont recouverts d'une autre couche de silicone afin de les protéger. Image : Marco Binelli, ETH Zurich

Les tests ont montré que la semelle fabriquée additivement 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 Gilberto Siqueira.

Pour l'instant, Gilberto 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. "Jusqu'à présent, la lecture des données n'était toutefois pas au premier plan de notre travail", souligne le chercheur.

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 par impression 3D.

Bien que Gilberto Siqueira soit convaincu du fort potentiel commercial de son produit, en particulier dans les sports d'élite, son équipe n'a pas encore pris de mesures en vue de sa commercialisation.

Des chercheurs de l'Empa, l'ETH Zurich et de l'EPFL ont participé au développement de la semelle. 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 plateforme d'impression. Le Centre hospitalier universitaire de Lausanne (CHUV) et l'entreprise d'orthopédie Numo ont également participé au projet. Le projet a été financé par le programme Advanced Manufacturing du Domaine des EPF.