Ispirato dal recupero di un professore dell'Università del Michigan dopo un incidente in bicicletta, un cerotto innovativo potrebbe portare la valutazione delle articolazioni umane nel 21° secolo.

La patch utilizza sensori elettronici per comprendere la gamma funzionale di movimento rispetto alle misurazioni statiche di oggi. Influenzato da kirigami, l'arte giapponese di creare strutture 3D da carta tagliata, il sensore può abbracciare le curve di un giunto e tuttavia può essere prodotto piatto.

"La spalla in particolare si muove in modo molto complesso. È una delle articolazioni più articolate del corpo, " ha detto Max Shtein, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Michigan, che si è schiantato con la bicicletta e ha collaborato con i suoi studenti al lavoro.

"Nessuno è stato davvero in grado di rintracciarlo correttamente con qualcosa di indossabile, eppure è la chiave per tante attività nello sport e nella vita quotidiana".

Dopo essersi rotto la clavicola, Shtein fu costernato nello scoprire che il suo fisioterapista valutava l'ampiezza di movimento della sua spalla con un semplice goniometro. Il metodo è soggetto a grandi errori, e non aveva modo di ripetere le misurazioni a casa.

Si rese conto che un sensore indossabile avrebbe potuto registrare l'intera portata del suo movimento e tenere traccia dei suoi esercizi, ma è costoso costruire l'elettronica su strutture curve. Questo sensore dovrebbe essere fabbricato piatto ma essere ancora in grado di seguire il contorno della spalla di un paziente.

Lui ed Erin Evke, uno studente di dottorato in scienze e ingegneria dei materiali, ha trovato una soluzione ispirata al kirigami. Ha tagliato al laser un sottile foglio di plastica in un labirinto di ovali concentrici. La forma si stacca quasi come uno Slinky, e i tagli si aprono in un merletto sulla spalla.

"Se prendi un foglio di carta e cerchi di avvolgerlo intorno a una sfera, è impossibile farlo senza piegare o arricciare la carta. Ciò stresserebbe notevolmente i sensori prima ancora che la misurazione iniziasse, " Ha detto Evke. "Il nostro modello di taglio evita questo problema".

Poiché queste strutture si trasformano da un foglio piatto a uno senza rughe, forma 3D, possono essere realizzati con esistenti, tecnologie convenienti. Shtein stima che il costo dei singoli sensori potrebbe essere inferiore a $ 10, ipotizzando la produzione di massa. È molto meno del costo di un singolo appuntamento di terapia fisica. Potrebbe essere un modo economico per migliorare i risultati dei pazienti.

Come prova di concetto, il team ha dotato la toppa del kirigami di due estensimetri:uno lungo l'angolo della spalla per catturare l'alzarsi e l'abbassarsi del braccio, e l'altro nella parte posteriore della spalla per misurare i movimenti del corpo incrociato.

Collaborando con i ricercatori che lavorano sotto Deanna Gates, un professore associato di scienze del movimento alla U-M, Il team di Shtein ha incrociato i dati del sensore kirigami con i movimenti del braccio catturati da un sistema di rilevamento del movimento della telecamera. Il sistema utilizza marcatori riflettenti per tracciare le posizioni angolari del braccio e le ricostruisce in una simulazione al computer.

Il team prevede che questo tipo di sensore economico possa essere somministrato a pazienti in terapia fisica, consentendo loro di registrare gli esercizi e vedere i progressi tramite un'app per smartphone. Ciò potrebbe aiutare a mantenere i pazienti onesti nell'eseguire i loro esercizi e anche a fornire informazioni più dettagliate ai terapisti sui progressi di ciascun paziente.

Evke, che hanno gareggiato nell'atletica leggera del college, considera anche come potrebbe essere utilizzato per aiutare gli atleti a migliorare la loro forma.

"Poiché puoi regolare il design del taglio in modo che corrisponda alle curvature di tutte le diverse parti del tuo corpo, puoi generare molti dati che possono essere utilizzati per tenere traccia della tua forma, ad esempio durante il sollevamento, nonché la quantità di sforzo applicato alle articolazioni, " ha detto. "L'utente potrebbe essere avvisato della forma impropria in tempo reale e quindi prevenire lesioni".

Shtein ha sottolineato che non abbiamo buoni modi per misurare le articolazioni e capire come prenderci cura di loro. Lavori recenti suggeriscono che le lacrime nel legamento crociato anteriore, un grave infortunio al ginocchio vissuto da molti atleti, si verificano a causa di sollecitazioni cumulative piuttosto che per una singola forza eccessiva. Problemi simili si verificano con l'articolazione della spalla. Sensori economici potrebbero misurare lo stress in modo che atleti e allenatori possano riconoscere i problemi in evoluzione e prevenire lesioni gravi.

Lo studio è pubblicato sulla rivista Tecnologie avanzate dei materiali .