From static to dynamic: modular architecture for oculo-palpebral prostheses with natural movement

Authors

  • Heitor Lara Cardoso

    Universidade Federal de Catalão - UFCAT

    Author

  • José Aguiomar Foggiatto

    Universidade Federal de Catalão - UFCAT

    Author

  • Marcelo Henrique Stoppa

    Universidade Federal de Catalão - UFCAT

    Author

  • João Manoel Nascimento Ferreira

    Universidade Federal de Catalão - UFCAT

    Author

DOI:
https://doi.org/10.47456/bjpe.v12i5.52851
Keywords:
Dynamic ocular prosthesis, modularity, assistive technology, blink detection, Uncanny Valley
Abstract

The absence of dynamic movement, especially the lack of synchronized eyelid blinking, represents a fundamental limitation in conventional ocular prostheses, contributing to The Uncanny Valley phenomenon and hindering social acceptance. Therefore, this study evaluated the feasibility of developing an accessible bio-inspired system capable of translating blink signals into a mechatronic device, while providing sufficient synchrony to enhance the perception of naturalness. This gap was addressed through the development of a real-time detection and actuation system. The architecture integrates non-invasive sensors attached to eyeglasses to capture the signal from the functional eye; a processing algorithm for event detection; and an actuator module to reproduce the movement on an animatronic platform. The tests validated the initial hypothesis, demonstrating a considerable degree of synchrony between the biological stimulus and the prosthetic response. The analysis of the resulting movement indicated natural kinematics, which proved effective in improving the perception of artificiality. This establishes a promising paradigm that transcends the purely aesthetic function of prostheses. By validating the integration of sensors, detection algorithms, and actuators, this research offers a significant contribution to the field of intelligent prosthetics, demonstrating a technically feasible solution for making them more expressive and socially integrated.

Author Biographies
  1. Heitor Lara Cardoso, Universidade Federal de Catalão - UFCAT

    Graduando em Engenharia Mecatrônica pela Universidade Federal de Catalão (UFCAT) e Técnico em Informática pelo Instituto Federal Goiano Campus Avançado Catalão (2023). Possui experiência em desenvolvimento de software embarcado e tecnologias de manufatura aditiva, com ênfase em impressão 3D. Tem interesse nas áreas de Robótica, Sistemas Embarcados, Impressão 3D, Automação, Desenvolvimento de Software e Segurança da Informação. Atuou em atividades de extensão, eventos de tecnologia e projetos de pesquisa, consolidando sua formação acadêmica e prática. http://lattes.cnpq.br/7660086966394099 http://lattes.cnpq.br/7660086966394099

  2. José Aguiomar Foggiatto, Universidade Federal de Catalão - UFCAT

    Bolsista de Produtividade do CNPq em Desenvolvimento Tecnológico e Extensão Inovadora (DT2) desde 2013, atualmente é pesquisador voluntário no NUFER (Núcleo de Manufatura Aditiva e Ferramental) da UTFPR. Possui graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Paraná (1989), mestrado em Engenharia Mecânica - área de Concentração em Projetos - pela Universidade Federal de Santa Catarina (1997) e doutorado em Engenharia Mecânica - área de concentração em Fabricação - pela Universidade Federal de Santa Catarina (2005). Foi Coordenador do Centro de Inovação Tecnológica da UTFPR no biênio 2006/2007, Coordenador dos Cursos Superiores de Tecnologia do Departamento Acadêmico de Mecânica no biênio 2008/2009, Chefe do Departamento de Mecânica no biênio 2013/2014 e coordenador institucional na UTFPR do Projeto: Rede de Pesquisa e Desenvolvimento em Tecnologia Assistiva: ações integradas entre Engenharia Mecânica e Design- (RPDTA), aprovado no Edital PGPTA N 59/2014 da CAPES entre 2015 e 2021. Foi Professor Titular EBTT nos cursos de Engenharia Mecânica, Engenharia Mecatrônica, Tecnologia Mecânica, Tecnologia em Mecatrônica e Técnico integrado em Mecânica. Atuou como professor permanente no Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais (PPGEM) e é coordenador institucional adjunto do NAPI-TA (Novos Arranjos em Pesquisa e Inovação de Tecnologia Assistiva) com fomento da Fundação Araucária. Pesquisou principalmente os seguintes temas: Tecnologia Assistiva, Impressão 3D (Manufatura Aditiva), Sistemas CAD-3D, Desenvolvimento de Produtos Assistivos e Aplicação da Impressão 3D na Área da Saúde. Atualmente está aposentado. http://lattes.cnpq.br/8013863352635494 https://orcid.org/0000-0001-5393-3654

  3. Marcelo Henrique Stoppa, Universidade Federal de Catalão - UFCAT

    Graduado em Engenharia Mecatrônica pela Universidade Federal de Catalão (2024), possui graduação em Licenciatura Plena em Matemática pela Universidade Federal de Goiás (1991), mestrado em Matemática Pura pela Universidade Federal de Goiás (1996), doutorado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Uberlândia (2003) e Pós-Doutorado em Mecatrônica também pela Universidade Federal de Uberlândia (2015). É professor Titular da Universidade Federal de Catalão - UFCAT (criada a partir da Universidade Federal de Goiás - UFG) desde 1993. Tem experiência em áreas de Engenharias Mecânica e Mecatrônica, com ênfase em Matemática Aplicada, Vibrações de Sistemas Mecânicos, Gestão da Inovação, Robótica, Automação, Controle e Tecnologia Assistiva, em especial, próteses biônicas de mão e bucomaxilofaciais. Faz parte do corpo docente do Mestrado Acadêmico em Modelagem e Otimização (PPGMO-UFCAT). http://lattes.cnpq.br/1532505326645535 https://orcid.org/0000-0002-0697-9809

  4. João Manoel Nascimento Ferreira, Universidade Federal de Catalão - UFCAT

    Graduando em Engenharia Mecatrônica pela Universidade Federal de Catalão (UFCAT). Possui experiência em impressão 3D, robótica, sistemas embarcados e automação. http://lattes.cnpq.br/2111114139453213 https://orcid.org/0009-0003-6851-2870

References

Agarwal, M. D., et al. (2025). Customized silicone ocular prosthesis for post-exenteration rehabilitation. Cureus, 17(2), e31765. https://doi.org/10.7759/cureus.81283

Bindhoo, Y. A. & Aruna, U. (2011). Prosthetic rehabilitation of an orbital defect: a case report. Journal of Indian Prosthodontic Society, 11(4), 258-264. https://doi.org/10.1007/s13191-011-0093-6

Cogley, W. (2025). Animatronic eye mechanism v3.2. Maker World. Recuperado de https://makerworld.com

Frigerio, A., Hadlock, T. A., Murray, E. H., & Heaton, J. T. (2014). Infrared-based blink-detecting glasses for facial pacing: toward a bionic blink. JAMA facial plastic surgery, 16(3), 211-218. https://doi.org/10.1001/jamafacial.2014.1

Gibson, I., Rosen, D. W., & Stucker, B. (2015). Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing (2nd ed.). Springer.

Hömke, P., Holler, J., & Levinson, S. C. (2018). Eye blinks are perceived as communicative signals in human face-to-face interaction. Plos One, 13(12), e0208030.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0208030

International Organization for Standardization. (2019). ISO 14971:2019. Medical devices: application of risk management to medical devices. ISO.

Kumar, N., Srivastava, N., & Viswanathan, V. (2022). Rapid prototyping in prosthodontics- a review. History of Medicine, 8(1). Recuperado de https://historymedjournal.com/index.php/medicine/article/view/336

Moraes, R. C. & Almeida, L. P. (2021). Sensores de movimento aplicados a sistemas de rastreio ocular. Anais do Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, 1, 210-219.

Mori, M., MacDorman, K. F., & Kageki, N. (2012). The uncanny valley. IEEE Robotics and Automation Magazine, 19(2), 98-100. https://doi.org/10.1109/MRA.2012.2192811

Nyström, M., Andersson, R., Niehorster, D. C. et al. (2024). What is a blink? Classifying and characterizing blinks in eye openness signals. Behav Res. 56, 3280-3299. https://doi.org/10.3758/s13428-023-02333-9

Pereira, L. M. & Carvalho, H. M. (2022). Desenvolvimento de circuitos eletrônicos para dispositivos biomédicos portáteis. Monografia de conclusão de Curso de Bacharelado em engenharia elétrica, Setor de Ciências Exatas, Universidade Federal do Paraná. Recuperado de https://hdl.handle.net/1884/95218

PLOS. (2018). Length of eye blinks might act as conversational cue. ScienceDaily. Recuperado de https://www.sciencedaily.com/releases/2018/12/181212140746.htm

Souza, V. H. & Lima, A. R. (2013). Sensores piezoresistivos e sensores piezoelétricos, VIII EPCC - Encontro Internacional de Produção Científica (22 a 25 de outubro de 2013). Recuperado de http://rdu.unicesumar.edu.br/handle/123456789/4486

Stauffer, C., Brantly, N. W., Beam, D. W., Bose, R., Fiedler, G., & Fisher, L. E. (2026). 3D printing and prostheses: The current state-of-the-art and future directions. Journal of Rehabilitation and Assistive Technologies Engineering, 13. https://doi.org/10.1177/20556683261448197

Trigo, J. A. & Gruart, A. (2001). Fisiología del sistema motor del párpado. Revista de Neurología, 33(6), 555-562. Recuperado de https://storage.imrpress.com/journal/RN/32/8/10.33588/rn.3208.2000482/pdf/d4becf4d7e96b85896b7b1566eabe680.pdf

World Health Organization. (2019). World report on vision. WHO. Recuperado de https://www.who.int/publications/i/item/world-report-on-vision

Cover Image
The image presents a close-up view of a human brown eye, highlighting details of the iris, eyelashes, and periocular region. The visual composition symbolizes ocular functionality, facial aesthetics, and the challenges associated with the rehabilitation of patients requiring oculopalpebral prostheses. The image refers to the development of biomedical solutions aimed at restoring both appearance and natural dynamics of the eye region, emphasizing the pursuit of more realistic and synchronized eyelid movements. At the top, the article title “From Static to Dynamic: Modular Architecture for Oculopalpebral Prostheses with Natural Movement” is displayed, followed by the authors Cardoso, H. L., Ferreira, J. M. N., Foggiatto, J. A., and Stoppa, M. H. (2026). At the bottom, the logos of partner institutions are shown, along with the identification of the Brazilian Journal of Production Engineering and the journal’s ISSN.
Downloads
Published
2026-06-07
Issue
Vol. 12 No. 5 (2026): Special Issue VII Symposium on Production Engineering (SIENPRO)
Section
Innovation, Sustainability, and Entrepreneurship: Paths to Transforming Production Engineering
License

Copyright (c) 2026 Cardoso, H. L., Ferreira, J. M. N., Foggiatto, J. A., & Stoppa, M. H.

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

All works published in the Brazilian Journal of Production Engineering (BJPE) are licensed under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). This means that: Anyone can copy, distribute, display, adapt, remix, and even commercially use the content published in the journal; Provided that due credit is given to the authors and to BJPE as the original source; No additional permission is required for reuse, as long as the license terms are respected. This policy complies with the principles of open access, promoting the broad dissemination of scientific knowledge. 🔗 Click here to access the full license

How to Cite

Cardoso, H. L., Foggiatto, J. A., Stoppa, M. H., & Ferreira, J. M. N. (2026). From static to dynamic: modular architecture for oculo-palpebral prostheses with natural movement . Brazilian Journal of Production Engineering, 12(5), 62-71. https://doi.org/10.47456/bjpe.v12i5.52851