Kirigami sensorplaster til skuldre kunne forbedre skadesrestitution, atletisk træning

Inspireret af en professor ved University of Michigans helbredelse efter et cykelstyrt, et innovativt plaster kunne bringe vurderingen af ​​menneskelige led ind i det 21. århundrede.

Patchen bruger elektroniske sensorer til at forstå det funktionelle bevægelsesområde i modsætning til nutidens statiske målinger. Påvirket af kirigami, den japanske kunst at skabe 3D-strukturer fra skåret papir, sensoren kan omfavne et leds kurver og kan alligevel fremstilles fladt.

"Især skulderen bevæger sig på en meget kompleks måde. Det er et af de mest velartikulerede led i kroppen, " sagde Max Shtein, en professor i materialevidenskab og teknik ved University of Michigan, der styrtede på sin cykel og samarbejdede med sine elever om arbejdet.

"Ingen har virkelig været i stand til at spore det ordentligt med noget, der kan bæres, og alligevel er det nøglen til så mange aktiviteter i sport og dagligdag."

Efter at have brækket kravebenet, Shtein var forfærdet over at opdage, at hans fysioterapeut vurderede bevægelsesområdet i hans skulder med en grundlæggende vinkelmåler. Metoden er tilbøjelig til store fejl, og han havde ingen mulighed for at gentage målingerne derhjemme.

Han indså, at en bærbar sensor kunne have registreret hele omfanget af hans bevægelse og sporet hans øvelser, men det er dyrt at bygge elektronik på buede strukturer. Denne sensor skal fremstilles flad, men stadig være i stand til at følge konturen af ​​en patients skulder.

Han og Erin Evke, en ph.d.-studerende i materialevidenskab og teknik, kom med en løsning inspireret af kirigami. Hun laserskar et tyndt ark plastik til en labyrint af koncentriske ovaler. Formen trækker sig fra hinanden næsten som en Slinky, og snittene åbner sig i et snørebånd over skulderen.

"Hvis du tager et ark papir og prøver at vikle det rundt om en kugle, det er umuligt at gøre det uden at folde eller rynke papiret. Dette ville stresse sensorerne betydeligt, før din måling overhovedet begyndte, " sagde Evke. "Vores snitmønster undgår dette problem."

Fordi disse strukturer forvandler sig fra et fladt ark til et rynkefrit, 3D form, de kan fremstilles med eksisterende, omkostningseffektive teknologier. Shtein anslår, at prisen på individuelle sensorer kan være under $10, forudsat masseproduktion. Det er meget mindre end prisen for en enkelt fysioterapiaftale. Det kunne være en billig måde at forbedre patientresultaterne på.

Som et proof-of-concept, holdet udstyrede kirigami-plasteret med to strain gauges - den ene langs hjørnet af skulderen for at fange hævningen og sænkningen af ​​armen, og den anden på bagsiden af ​​skulderen for at måle bevægelser på tværs af kroppen.

Samarbejde med forskere, der arbejder under Deanna Gates, lektor i bevægelsesvidenskab ved U-M, Shteins team krydsreferencede data fra kirigami-sensoren med armbevægelser optaget af et kamerabevægelsessporingssystem. Systemet bruger reflekterende markører til at spore armens vinkelpositioner og rekonstruerer dem i en computersimulering.

Holdet forestiller sig, at denne form for billig sensor kan gives til fysioterapipatienter, gør det muligt for dem at logge øvelser og se fremskridt gennem en smartphone-app. Dette kunne hjælpe med at holde patienterne ærlige om at udføre deres øvelser og også give mere detaljerede oplysninger til terapeuter om hver patients fremskridt.

Evke, der konkurrerede i college atletik, overvejer også, hvordan det kan bruges til at hjælpe atleter med at forbedre deres form.

"Da du kan tune snitdesignet til at matche krumningerne af alle forskellige dele af din krop, du kan generere en masse data, der kan bruges til at spore din form – for eksempel mens du løfter – såvel som mængden af ​​belastning på dine led, " sagde hun. "Brugeren kan blive advaret om ukorrekt form i realtid og derfor forhindre skader."

Shtein påpegede, at vi ikke har gode måder at måle led på og forstå, hvordan man plejer dem. Nyere arbejde tyder på, at rifter i det forreste korsbånd, en alvorlig knæskade, som mange atleter oplever, opstår som et resultat af kumulative spændinger snarere end en enkelt overdreven kraft. Lignende problemer opstår med skulderleddet. Billige sensorer kunne måle belastninger, så atleter og trænere kunne genkende udviklende problemer og afværge større skader.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Avancerede materialeteknologier .