Geïnspireerd door het herstel van een professor aan de Universiteit van Michigan na een fietsongeluk, een innovatieve patch zou de beoordeling van menselijke gewrichten in de 21e eeuw kunnen brengen.

De patch maakt gebruik van elektronische sensoren om het functionele bewegingsbereik te begrijpen, in tegenstelling tot de huidige statische metingen. Beïnvloed door kirigami, de Japanse kunst van het maken van 3D-structuren van gesneden papier, de sensor kan de rondingen van een gewricht omsluiten en toch plat worden vervaardigd.

"Vooral de schouder beweegt op een zeer complexe manier. Het is een van de best gearticuleerde gewrichten in het lichaam, " zei Max Shtein, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Michigan, die zijn fiets crashte en samen met zijn studenten aan het werk werkte.

"Niemand heeft het echt goed kunnen volgen met iets draagbaars, en toch is het de sleutel tot zoveel activiteiten in de sport en het dagelijks leven."

Nadat hij zijn sleutelbeen had gebroken, Shtein was verbijsterd toen hij ontdekte dat zijn fysiotherapeut het bewegingsbereik in zijn schouder beoordeelde met een eenvoudige gradenboog. De methode is gevoelig voor grote fouten, en hij kon de metingen thuis niet herhalen.

Hij realiseerde zich dat een draagbare sensor de volledige reikwijdte van zijn beweging had kunnen registreren en zijn oefeningen had kunnen volgen, maar het is duur om elektronica op gebogen structuren te bouwen. Deze sensor zou plat moeten worden vervaardigd maar toch de contouren van de schouder van een patiënt kunnen volgen.

Hij en Erin Evke, een doctoraatsstudent in materiaalkunde en techniek, kwam met een oplossing geïnspireerd door kirigami. Met laser sneed ze een dun stuk plastic tot een labyrint van concentrische ovalen. De vorm trekt bijna uit elkaar als een Slinky, en de sneden openen zich in een kantwerk over de schouder.

"Als je een vel papier neemt en het om een ​​bol probeert te wikkelen, het is onmogelijk om dit te doen zonder het papier te vouwen of te kreuken. Dit zou de sensoren aanzienlijk belasten voordat uw meting zelfs maar begon, "Zei Evke. "Ons snijpatroon voorkomt dit probleem."

Doordat deze structuren transformeren van een vlakke plaat naar een kreukvrije, 3D-vorm, ze kunnen worden vervaardigd met bestaande, kosteneffectieve technologieën. Shtein schat dat de kosten van individuele sensoren minder dan $ 10 kunnen zijn, massaproductie aannemen. Dat is veel minder dan de kosten van een enkele afspraak voor fysiotherapie. Het zou een goedkope manier kunnen zijn om de patiëntresultaten te verbeteren.

Als proof-of-concept, het team rustte de kirigami-patch uit met twee rekstrookjes - één langs de hoek van de schouder om het omhoog en omlaag brengen van de arm vast te leggen, en de andere aan de achterkant van de schouder om bewegingen over het lichaam te meten.

Samenwerken met onderzoekers die onder Deanna Gates werken, een universitair hoofddocent bewegingswetenschappen aan de U-M, Het team van Shtein verwees naar de gegevens van de kirigami-sensor met armbewegingen die werden vastgelegd door een camerabewegingsvolgsysteem. Het systeem gebruikt reflecterende markeringen om de hoekposities van de arm te volgen en reconstrueert deze in een computersimulatie.

Het team voorziet dat dit soort goedkope sensor kan worden gegeven aan fysiotherapiepatiënten, waardoor ze oefeningen kunnen loggen en de voortgang kunnen zien via een smartphone-app. Dit zou kunnen helpen om patiënten eerlijk te houden over het doen van hun oefeningen en ook om therapeuten meer gedetailleerde informatie te geven over de voortgang van elke patiënt.

Evke, die deelnam aan atletiek op de universiteit, overweegt ook hoe het kan worden gebruikt om atleten te helpen hun vorm te verbeteren.

"Omdat je het gesneden ontwerp kunt afstemmen op de krommingen van alle verschillende delen van je lichaam, u kunt veel gegevens genereren die kunnen worden gebruikt om uw vorm te volgen, bijvoorbeeld tijdens het tillen, evenals de hoeveelheid belasting die op uw gewrichten wordt uitgeoefend, " zei ze. "De gebruiker kan in realtime worden gewaarschuwd voor een onjuiste vorm en zo blessures voorkomen."

Shtein wees erop dat we geen goede manieren hebben om gewrichten te meten en te begrijpen hoe we ze moeten verzorgen. Recent werk suggereert dat scheuren in de voorste kruisband, een ernstige knieblessure die veel atleten ervaren, optreden als gevolg van cumulatieve spanningen in plaats van een enkele overmatige kracht. Soortgelijke problemen doen zich voor met het schoudergewricht. Goedkope sensoren kunnen spanningen meten, zodat atleten en trainers veranderende problemen kunnen herkennen en ernstige verwondingen kunnen voorkomen.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materiaaltechnologieën .