Oppervlakte-elektromyografie (sEMG) wordt veel gebruikt om menselijke beweging te onderzoeken, inclusief atletische prestaties. Honkbalwerpers hebben zeer precieze bewegingen nodig om de bal naar de slagzone te gooien, waar de handpalmspier een sleutelrol speelt tijdens beweging. Het opnemen van de sEMG van de handpalm kan helpen bij het analyseren van beweging tijdens honkbal pitchen, echter, momenteel beschikbare apparaten zijn omvangrijk met stijve elektroden die de natuurlijke beweging van de drager belemmeren. Kento Yamagishi en een team van onderzoekers van de School of Advanced Science and Engineering, Faculteit der Sport, en digitale fabricage en ontwerp in Japan, beschreef daarom een ​​nieuwe huidcontactpleister. Het draagbare apparaat bevat op kirigami gebaseerde rekbare bedrading en geleidende polymeer nanosheet-gebaseerde ultraconforme bio-elektroden. Het onderzoeksteam ontwierp het apparaat om de mechanische mismatch tussen menselijke huid en elektronica aan te pakken en publiceerde de resultaten op Natuur Azië Materialen .

Het apparaat bevatte een op kirigami geïnspireerd bedradingsontwerp en een mechanische gradiëntstructuur van op nanosheets gebaseerde flexibele bio-elektronica om een ​​draagbaar bulkconstructie te vormen. De ontwerpbenadering bufferde de mechanische spanning die werd uitgeoefend op de bio-elektroden die in contact kwamen met de huid tijdens een armzwaaibeweging. Specifieker, Yamagishi et al. mat de sEMG bij de abductor pollicis brevis-spier (APBM) in een honkbalspeler tijdens het werpen. Het onderzoeksteam observeerde verschillen in de activiteit van de ABPM tussen verschillende soorten fastball- en curveball-velden. De resultaten zullen hen in staat stellen om beweging te analyseren in onontgonnen spiergebieden zoals de handpalm en zool. Het werk zal leiden tot een diepere analyse van spieractiviteit tijdens een scala aan sportactiviteiten en andere bewegingen.

Draagbare apparaten kunnen nauwkeurige metingen van sEMG tijdens inspanning mogelijk maken via opnames met kleine elektroden die aan het huidoppervlak zijn bevestigd en met draden zijn aangesloten op een versterker. dergelijke apparaten kunnen krachtige bewegingen beperken. De handpalmspier speelt een sleutelrol bij honkbalwerpers, waarbij een zeer nauwkeurige beweging binnen een venster van twee milliseconden nodig is om de bal in de slagzone te gooien. Omdat de bal direct de handpalmspier raakt, het verkrijgen van sEMG-opnames uit de handpalm tijdens een echte pitch is buitengewoon moeilijk. Verder, als onderzoekers elektroden aan de handpalm zouden bevestigen in plaats van aan de handpalmspier, het is waarschijnlijk dat de geleidingsdraden worden belast als gevolg van polsbuigingen. Als resultaat, onderzoekers hadden eerder sEMG-analyses tijdens het werpen van honkbal beperkt tot de elleboog, scapulierspieren en onderste en bovenste ledematen zonder de handpalmspier te onderzoeken tijdens het loslaten van de bal.

In het huidige werk, Yamagishi et al. heeft het probleem aangepakt door een huidcontactpleister te ontwikkelen met geleidende polymeer nanosheet-gebaseerde ultraconforme elektroden en op "kirigami" gebaseerde rekbare bedrading. Kirigami is een soort Japanse papierkunst die veel wordt gebruikt op het gebied van rekbare elektronica vanwege zijn flexibiliteit. De techniek kan in het algemeen onrekbare en stijve tweedimensionale (2-D) materialen zoals grafeen en koolstof-nanobuis nanocomposieten rekbaar maken via 3D-vervorming. Om op nanosheets gebaseerde bio-elektroden en een draagbare modus in bulk te verbinden, Yamagishi et al. ontwierp en ontwikkelde een op kirigami gebaseerd bedradingssysteem met de volgende kenmerken.

1. Aanpasbare huidadhesie op basis van 2D-membraan
2. Rekbaarheid met minimale veranderingen in weerstand, en
3. Een volledig geïsoleerde structuur met een geleidende laag en elastomeer isolerende lagen met kirigami-patroon.

De onderzoekers verzamelden de bestanddelen om een ​​patch-type huidcontactapparaat te vormen, die ze de 'elastische kirigami-patch' noemden. Ze voerden nauwkeurige metingen van sEMG uit met behulp van het apparaat en verkregen signalen van de abductor pollicis brevis-spier (APBM) tijdens het werpen door ervaren honkbalspelers. Ze synchroniseerden de sEMG-signalen en versnelling van de arm met opeenvolgende foto's van de werpbeweging met behulp van hogesnelheidscamera's.

Het door de wetenschappers ontwikkelde apparaat zou sEMG-signalen van de handpalm kunnen meten op een minimaal waarneembare manier voor de drager. Voor deze, ze gebruikten geleidende polymeer ultradunne films op basis van poly (3, 4-ethyleendioxythiofeen):poly(styreen-sulfonaat) (PEDOT:PSS) bekend als "geleidende nanobladen" om de ultravervormbare huidcontactelektroden te vormen. Het team had eerder de mechanische en elektrische stabiliteit van de op PEDOT:PSS gebaseerde geleidende nanosheets tegen zweet onderzocht en ontdekte dat ze de elektrische functie met structurele integriteit behouden na onderdompeling in kunstmatig zweet gedurende 180 minuten. De dubbellaagse elastische geleidende nanosheets die PEDOT:PSS en polystyreen-polybutadieen-polystyreen triblokcopolymeer (SBS) bevatten, hechtten zich conformeerbaar aan de menselijke huid zonder enige adhesieve reagentia en zonder de natuurlijke vervorming van de huid te verstoren.

De PEDOT:PSS/PBS dubbelgelaagde geleidende nanosheet in het onderzoek had een dikte van 339 ± 91 nm, geleidbaarheid van 500 S/cm en buigstijfheid minder dan 10 ^-2 nNm (nanonewtonmeter). De flexibiliteit, rekbaarheid en robuuste aard van de SBS-nanosheet zorgden ervoor dat de tweelagige geleidende nanosheet zich kon aanpassen aan huidadhesie via van-der-Waals-krachten zonder kleefmiddelen. Yamagishi et al. testte de mechanische en elastische stabiliteit van de nanosheets op de handpalmspier van een proefpersoon tegen herhaaldelijk mechanisch uitrekken en samentrekken. Ze plaatsten twee vellen Au-sputtered polyimide dunne films aan weerszijden van de nanosheet om elektrisch contact te maken met de nanosheets.

Daarna, ze bedekten de nanosheet en Au-verstoven polyimide dunne films met een transparante hechtpleister op polyurethaanbasis. De onderzoekers maten de weerstand van de nanosheet in de begintoestand en na samentrekking/strekking van de handpalmspier. Ze hebben geen schade waargenomen, zelfs niet na herhaalde cycli van uitrekken en samentrekken om de consistentie van de structuur en elektrische eigenschappen van de nanosheet-elektrode duidelijk aan te tonen, zelfs bij maximale belasting van de handpalm. De resultaten suggereren hun geschiktheid om te functioneren als bio-elektroden onder herhaalde cycli van strekken of samentrekken. Het team construeerde en testte het kirigami-bedradingssysteem om de mechanische en elektrische eigenschappen ervan te onderzoeken en detecteerde de mechanische eigenschappen van het bedradingssysteem met behulp van een treksterktetester. Het elastische bedradingssysteem toonde hybride rekbaarheid op basis van kirigami en elasticiteit op basis van siliconenrubber.

Het onderzoeksteam voerde vervolgens uitgebreide tests uit in het laboratorium om de isolatie-eigenschappen van kirigami-bedrading en vormherstel na rek en samentrekking te begrijpen. Om het huidcontactapparaat te testen dat is geoptimaliseerd met een elastische kirigami-patch en een Bluetooth-module, ze maten de contactimpedantie van de elektrode-huid voor en nadat de deelnemers een armzwaai hadden uitgevoerd. De wetenschappers vergeleken de resultaten met een niet-kirigami-monster. Met behulp van drie hogesnelheidscamera's, ze legden de pitching-beweging van deelnemers vast om het SEMG-signaalpatroon tussen de APBM en andere spieren te onderzoeken.

Yamagishi et al. onderzocht vervolgens de pitching-beweging in vijf afzonderlijke fasen; opwinden, vroeg spannen, laat spannen, versnelling en opvolging. Ze noemden de algemeen waargenomen moeilijkheid voor werpers om curveballs te beheersen (vergeleken met fastballs), tot versterking en verzwakking van de APBM-activiteit, ongeveer -0,5 seconden na het gooien van een curveball. De elektromyografische analyses van de APBM tijdens de werpbeweging met de intacte elastische kirigami-patch gaven aan dat werpers de palmspieractiviteit controleerden tijdens de vroege spanfase voordat de bal werd losgelaten.

Op deze manier, Kento Yamagishi en collega's ontwikkelden een huidcontact-patchapparaat met een kirigami-geïnspireerd rekbaar bedradingssysteem en geleidende op nanosheets gebaseerde ultraconforme bio-elektroden. Ze voerden met succes dynamische sEMG-analyses uit van de APBM-spier, die niet kon worden getest met conventionele apparaten tijdens het werpen van honkbal. Het minimaal waarneembare apparaat kan worden gebruikt om de activiteit van spieren van atleten tijdens het sporten te onderzoeken zonder hun prestaties te verstoren. De sEMG-opnames die in het werk zijn waargenomen, zullen onderzoekers in staat stellen een dieper inzicht te krijgen in spieractiviteit bij een breed scala aan sporten en bewegingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk