Elastisk kirigami -patch til elektromyografisk analyse af palmemusklen under baseball pitching

Surface electromyography (sEMG) bruges i vid udstrækning til at undersøge menneskelig bevægelse, herunder atletisk præstation. Baseballkande kræver meget præcise bevægelser for at lægge bolden til strejkezonen, hvor palmemusklen spiller en nøglerolle under bevægelse. Optagelse af sEMG fra håndfladen kan hjælpe med at analysere bevægelse under baseball pitching, imidlertid, i øjeblikket tilgængelige enheder er omfangsrige med stive elektroder, der forhindrer brugerens naturlige bevægelse. Kento Yamagishi og et team af forskere på School of Advanced Science and Engineering, Fakultet for Idræt, og digital fremstilling og design i Japan, beskrev derfor en ny hudkontaktplaster. Den bærbare enhed indeholdt kirigami-baserede strækbare ledninger og ledende polymer nanosheet-baserede ultrakonformerbare bioelektroder. Forskergruppen designede enheden til at løse det mekaniske misforhold mellem menneskelig hud og elektronik og offentliggjorde resultaterne på Nature Asia Materials .

Enheden indeholdt et kirigami-inspireret ledningsdesign og mekanisk gradientstruktur fra nanosheetbaseret fleksibel bioelektronik til at danne en bulk-bærbar konstruktion. Designmetoden bufferlagde den mekaniske belastning, der påføres de hudkontaktbioelektroder under en armsvingningsbevægelse. Mere specifikt, Yamagishi et al. målte sEMG ved abductor pollicis brevis muskel (APBM) i en baseballspiller under pitching. Forskergruppen observerede forskelle i ABPM's aktivitet mellem forskellige typer fastball- og curveballbaner. Resultaterne giver dem mulighed for at analysere bevægelse i uudforskede muskelområder, såsom håndfladen og sålen. Arbejdet vil føre til en dybere analyse af muskelaktivitet under en række sportsaktiviteter og andre bevægelser.

Bærbare enheder kan lette nøjagtige målinger af sEMG under træning via optagelser med små elektroder fastgjort til hudoverfladen og forbundet til en forstærker med ledninger/ Dog kan sådanne anordninger kan begrænse kraftige bevægelser. Palmemusklen spiller en central rolle for baseballkander, kræver meget præcis bevægelse inden for et vindue på to millisekunder for at kaste bolden ind i slagzonen. Da bolden direkte rører håndfladen, at få sEMG -optagelser fra håndfladen under en faktisk tonehøjde er ekstremt vanskelig. Desuden, hvis forskere fastgjorde elektroder til håndfladen i stedet for palmemusklen, det vil sandsynligvis belaste blytråde på grund af håndledbøjninger. Som resultat, forskere havde tidligere begrænset sEMG -analyser under baseball pitching til albuen, skuldermuskulatur og nedre og øvre ekstremiteter uden at undersøge håndflademusklen under boldfrigivelse.

I det nuværende arbejde, Yamagishi et al. løst problemet ved at udvikle en hudkontaktplaster, der indeholder ledende polymer-nanosheetbaserede ultrakonformable elektroder og "kirigami" -baserede strækbare ledninger. Kirigami er en type japansk papirkunst, der er meget udbredt inden for strækbar elektronik på grund af dets fleksibilitet. Teknikken kan gøre generelt ustrækbare og stive todimensionale (2-D) materialer, såsom grafen og carbon-nanorør-nanokompositter, at de kan strækkes via 3D-deformation. For at forbinde nanosheetbaserede bioelektroder og en bulk-bærbar tilstand, Yamagishi et al. designet og udviklet et kirigami-baseret ledningssystem med følgende funktioner.

1. 2-D-membranbaseret, tilpasselig hudadhæsion
2. Strækbarhed med minimale ændringer i modstand, og
3. En fuldt isoleret struktur med et ledende lag og kirigami-mønstrede elastomere isolerende lag.

Forskerne samlede bestanddelene til en hud-kontakt-enhed af patch-type, som de kaldte "elastisk kirigami patch". De udførte præcise målinger af sEMG ved hjælp af enheden og indhentede signaler fra abductor pollicis brevis muskel (APBM) under pitching af erfarne baseballspillere. De synkroniserede sEMG-signaler og acceleration af armen med sekventielle fotografier af pitching-bevægelsen ved hjælp af højhastighedskameraer.

Enheden udviklet af forskerne kunne måle sEMG -signaler fra håndfladen på en minimalt opfattelig måde til brugeren. For det, de brugte ledende polymer ultratynde film baseret på poly (3, 4-ethylendioxythiophen):poly (styrensulfonat) (PEDOT:PSS) kendt som "ledende nanosheets" til dannelse af de ultrakonformerbare hudkontaktelektroder. Teamet havde tidligere undersøgt den mekaniske og elektriske stabilitet af PEDOT:PSS-baserede ledende nanosheets mod sved og fandt dem til at bevare elektrisk funktion med strukturel integritet efter nedsænkning i kunstig sved i 180 minutter. De to-lags elastiske ledende nanosheets indeholdende PEDOT:PSS og polystyren-polybutadien-polystyren triblock-copolymer (SBS) klæbte på passende måde til menneskelig hud uden klæbende reagenser og uden at forstyrre den naturlige deformation af huden.

PEDOT:PSS/PBS dobbeltlaget ledende nanosheet i undersøgelsen havde en tykkelse på 339 ± 91 nm, ledningsevne på 500 S/cm og bøjningsstivhed mindre end 10 ^-2 nNm (nanonewton meter). Fleksibiliteten, SBS-nanosheetens strækbarhed og robuste karakter tillod det dobbeltlagede ledende nanosheet at tilpasse sig hudadhæsion via van-der-Waals-kræfter uden klæbemidler. Yamagishi et al. testet den mekaniske og elastiske stabilitet af nanosheets på håndflademusklen i et emne mod gentagne mekaniske strækninger og sammentrækninger. De anbragte to ark Au-sputtered polyimid tynde film på hver side af nanosjælket for at give elektrisk kontakt med nanosheetene.

Derefter, de dækkede nanosheet og Au-sputtered polyimid tynde film med et polyurethanbaseret transparent klæbende gips. Forskerne målte nanosheetens modstand i dets oprindelige tilstand og efter sammentrækning/strækning af håndfladen. De observerede ikke skader selv efter gentagne cyklusser af strækninger og sammentrækninger for tydeligt at demonstrere konsistensen af ​​strukturen og den elektriske egenskab af nanosheetelektroden, selv ved maksimal belastning af håndfladen. Resultaterne tyder på, at de er egnede til at fungere som bioelektroder under gentagne stræknings- eller sammentrækningscykler. Teamet konstruerede og testede kirigami -ledningssystemet for at undersøge dets mekaniske og elektriske egenskaber og opdagede de mekaniske egenskaber ved ledningssystemet ved hjælp af en trækprøve. Det elastiske ledningssystem demonstrerede hybrid kirigami-baseret strækbarhed og silikone-gummibaseret elasticitet.

Forskergruppen gennemførte derefter omfattende tests i laboratoriet for at forstå kirigami -lednings isoleringsegenskaber og forme genopretning efter forlængelse og sammentrækning. For at teste den hudkontakt-enhed, der er optimeret med en elastisk kirigami-patch og et Bluetooth-modul, de målte elektrode-hudkontaktimpedans før og efter deltagerne udførte et armsving. Forskerne sammenlignede resultaterne med en ikke-kirigami-prøve. Ved hjælp af tre højhastighedskameraer, de fangede deltagernes pitching -bevægelse for at undersøge SEMG -signalmønsteret mellem APBM og andre muskler.

Yamagishi et al. undersøgte derefter pitching -bevægelsen i fem separate faser; vinding, tidlig kram, sen pik, acceleration og opfølgning. De krediterede den generelt observerede vanskelighed for kande at kontrollere kurvekugler (sammenlignet med fastballs), til styrkelse og svækkelse af APBM -aktivitet, cirka -0,5 sekunder efter at have kastet en curveball. De elektromyografiske analyser af APBM under pitching -bevægelse med det intakte elastiske kirigami -plaster indikerede, at pitchers kontrollerede palmemuskelaktiviteten i den tidlige cocking -fase, før bolden blev frigivet.

På denne måde, Kento Yamagishi og kolleger udviklede en hudkontakt-patch-enhed med et kirigami-inspireret strækbart ledningssystem og ledende nanosheetbaserede ultrakonformable bioelektroder. De gennemførte med succes dynamiske sEMG -analyser af APBM -muskelen, som ikke kunne testes med konventionelle enheder under baseball pitching. Den minimalt opfattelige enhed kan bruges til at undersøge aktiviteten af ​​muskler hos atleter under træning uden at forstyrre deres præstationer. De sEMG -optagelser, der observeres i arbejdet, vil give forskere mulighed for at opnå en dybere forståelse af muskelaktivitet på tværs af en lang række sportsgrene og bevægelser.

© 2019 Science X Network