Forma a ciambella 2D (a sinistra:prima della deformazione) e forma cilindrica 3D (a destra:dopo la deformazione). Credito:Toyohashi University of Technology.
Un team di ricerca nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Informazione e EIIRIS presso la Toyohashi University of Technology ha sviluppato un dispositivo kirigami a forma di ciambella per le registrazioni EMG. Il dispositivo proposto riduce lo spostamento del dispositivo su una grande superficie muscolare deformabile. Le registrazioni EMG accurate e robuste offrono interfacce uomo-macchina basate sul segnale EMG che consentono il controllo della protesi per gli amputati. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in un numero di Materiali sanitari avanzati il 5 dicembre, 2019. L'articolo è apparso anche sulla quarta di copertina interna.
Una registrazione del segnale EMG accurata e robusta è necessaria nelle interfacce uomo-macchina basate sul segnale EMG per consentire il controllo della protesi per gli amputati utilizzando il loro muscolo residuo. Nel 2017, lo stesso gruppo di ricerca aveva precedentemente proposto un dispositivo elettrodico che utilizzava la struttura del kirigami per l'intima integrazione del dispositivo elettronico e dei tessuti biologici. (Y. Morikawa et al) Il notevole potenziale della struttura del kirigami deriva dalla sua elevata elasticità, compreso il suo elevato rapporto di deformazione e la piccola forza necessaria da applicare durante gli allungamenti del dispositivo. La struttura del kirigami può essere allungata con una bassa forza di deformazione e le sue caratteristiche meccaniche sono simili ai tessuti biologici molli, come nel cervello e nei muscoli. Però, è difficile ottenere una registrazione del biosegnale accurata e robusta senza lo spostamento dell'elettrodo. Lo spostamento del dispositivo si verifica quando il dispositivo kirigami viene applicato a tessuti biologici, come il cuore e i muscoli, che subiscono grandi deformazioni.
Un team di ricerca del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dell'EIIRIS della Toyohashi University of Technology ha sviluppato un dispositivo kirigami a forma di ciambella per la registrazione EMG per risolvere il problema dello spostamento del dispositivo durante la deformazione muscolare.
Dispositivo kirigami a forma di ciambella fabbricato (inserto:elettrodi incorporati). Credito:Toyohashi University of Technology.
Immagine schematica che mostra la registrazione del segnale EMG (a sinistra) e fotografia che mostra il dispositivo kirigami a forma di ciambella attaccato sulla superficie muscolare (a destra). Credito:Toyohashi University of Technology.
La struttura del kirigami a forma di ciambella è in grado di trasformarsi da una forma a ciambella 2-D a una forma cilindrica 3-D. La forma cilindrica è adatta a numerosi tessuti biologici deformabili di forma sferica o colonnare (es. arto superiore, arto inferiore, dito, addome, e cuore). Il dispositivo kirigami a forma di ciambella esegue il meccanismo di fissaggio ai tessuti bersaglio e riduce lo spostamento del dispositivo durante la deformazione del tessuto con uno stress minimo sul tessuto biologico. La capacità di registrazione del dispositivo proposto è stata confermata attraverso la registrazione del segnale EMG dall'arto posteriore di un topo, indicando la prospettiva di utilizzare il dispositivo per un'interfaccia uomo-macchina basata su EMG.
"La prima dimostrazione utilizzando il nostro dispositivo kirigami a forma di foglio convenzionale non poteva seguire la deformazione di un cuore che batte. Abbiamo discusso la struttura del dispositivo, che consente al dispositivo di seguire i tessuti deformabili. Nell'esperimento preliminare, abbiamo usato una carta, che è stato modellato nella forma a ciambella proposta del kirigami dal taglierino, e abbiamo dimostrato le sue capacità elastiche e deformabili per il muscolo. Però, non era certo se il dispositivo ciambella-kirigami in microscala mostrasse queste proprietà del dispositivo o meno. Li abbiamo esplorati attraverso la fabbricazione del dispositivo utilizzando il processo di microfabbricazione e le caratterizzazioni del dispositivo, e abbiamo confermato che il dispositivo fabbricato ha mostrato la deformazione prevista contro il nostro pensiero, " spiega il primo autore dell'articolo, dottorato di ricerca candidato Yusuke Morikawa.
Il dispositivo kirigami a forma di ciambella necessita ancora di ulteriori miglioramenti in termini di durata e densità di microelettrodi. Inoltre, l'influenza dell'impianto del dispositivo sui tessuti biologici dovrebbe essere chiarita se utilizzato per un lungo periodo. Però, si prevede che il dispositivo proposto sia applicabile a un'interfaccia uomo-macchina basata su EMG e contribuisca al miglioramento della qualità della vita degli amputati.
