Patch kirigami elastica composta da nanofogli conduttivi e cablaggi kirigami elastici per la registrazione sEMG sul muscolo del palmo durante il lancio del baseball. (a) Immagine (in alto) e illustrazione schematica (in basso) del cerotto kirigami elastico attaccato alla pelle e connesso a un modulo Bluetooth. Il cerotto kirigami elastico è costituito da due nanofogli conduttivi e due cablaggi kirigami elastici. (b) Fotografie in sequenza del movimento di beccheggio registrate da telecamere ad alta velocità. (c) Illustrazione schematica del nanofoglio conduttivo PEDOT:PSS/SBS. (d) Costituzione del cablaggio elastico del kirigami. Credito:Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
L'elettromiografia di superficie (sEMG) è ampiamente utilizzata per studiare il movimento umano, comprese le prestazioni atletiche. I lanciatori di baseball richiedono movimenti molto precisi per lanciare la palla nella zona dello strike, dove il muscolo del palmo svolge un ruolo chiave durante il movimento. La registrazione del sEMG dal palmo può aiutare ad analizzare il movimento durante il lancio di baseball, però, i dispositivi attualmente disponibili sono ingombranti con elettrodi rigidi che impediscono il movimento naturale di chi li indossa. Kento Yamagishi e un team di ricercatori della School of Advanced Science and Engineering, Facoltà di sport, e produzione e design digitale in Giappone, ha quindi descritto un nuovo cerotto a contatto con la pelle. Il dispositivo indossabile conteneva cablaggi estensibili basati su kirigami e bioelettrodi ultraconformabili basati su nanofogli polimerici conduttivi. Il team di ricerca ha progettato il dispositivo per affrontare la mancata corrispondenza meccanica tra la pelle umana e l'elettronica e ha pubblicato i risultati su Materiali dell'Asia della natura .
Il dispositivo conteneva un design di cablaggio ispirato al kirigami e una struttura a gradiente meccanico da bioelettronica flessibile basata su nanofogli per formare un costrutto indossabile di massa. L'approccio progettuale ha tamponato lo stress meccanico applicato ai bioelettrodi a contatto con la pelle durante un movimento di oscillazione del braccio. Più specificamente, Yamagishi et al. misurato il sEMG al muscolo abduttore breve del pollice (APBM) in un giocatore di baseball durante il lancio. Il team di ricerca ha osservato differenze nell'attività dell'ABPM tra i diversi tipi di campi a palla veloce ea palla curva. I risultati consentiranno loro di analizzare il movimento in aree muscolari inesplorate come il palmo e la suola. Il lavoro porterà ad un'analisi più approfondita dell'attività muscolare durante una serie di attività sportive e altri movimenti.
I dispositivi indossabili possono facilitare misurazioni accurate di sEMG durante l'esercizio tramite registrazioni con piccoli elettrodi attaccati alla superficie della pelle e collegati a un amplificatore con fili/Tuttavia, tali dispositivi possono limitare i movimenti vigorosi. Il muscolo del palmo svolge un ruolo chiave per i lanciatori di baseball, richiedendo un movimento molto preciso entro una finestra di due millisecondi per lanciare la palla nella zona dello strike. Poiché la palla tocca direttamente il muscolo del palmo, ottenere registrazioni sEMG dal palmo durante un pitch reale è estremamente difficile. Per di più, se i ricercatori attaccassero gli elettrodi al palmo invece che al muscolo del palmo, è probabile che i cavi vengano deformati a causa della flessione del polso. Di conseguenza, i ricercatori avevano precedentemente limitato le analisi sEMG durante il lancio di baseball al gomito, muscoli scapolari e arti inferiori e superiori senza esaminare il muscolo del palmo durante il rilascio della palla.
Proprietà meccaniche dei cablaggi kirigami elastici. (a) Immagini del cablaggio elastico del kirigami prima (a sinistra) e dopo (a destra) l'allungamento con la forza della mano. (b) Immagini microscopiche del cablaggio elastico del kirigami allungato al 25% (a sinistra), 100% (al centro), e 150% (a destra) deformazione. (c) Immagini ottiche (a sinistra) e SEM (al centro e a destra) del cablaggio elastico del kirigami sotto il 150% di deformazione. Non c'è delaminazione tra gli strati di gomma siliconica superiore e inferiore. (d) Curve sforzo-deformazione dei cablaggi kirigami elastici di tre diversi modelli, il campione non kirigami, e il foglio di gomma siliconica (linee continue:misurato, linee tratteggiate:simulato FEM). I grafici sinistro e destro sono mostrati in scale esponenziali e lineari di stress, rispettivamente. (e) Immagini simulate tramite FEM del cablaggio kirigami elastico di w1/w2/w3/w4 = 0,75/3,5/0,5/1,0 allo 0%, 50%, 100%, e 150% (da sinistra a destra) sforzo di trazione. Credito:Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
Nel presente lavoro, Yamagishi et al. ha affrontato il problema sviluppando un cerotto a contatto con la pelle contenente elettrodi ultraconformabili basati su nanofogli polimerici conduttivi e cavi estensibili basati su "kirigami". Kirigami è un tipo di arte cartacea giapponese ampiamente utilizzata nel campo dell'elettronica estensibile grazie alla sua flessibilità. La tecnica può rendere i materiali bidimensionali (2-D) generalmente non estensibili e rigidi come i nanocompositi di grafene e nanotubi di carbonio per essere estensibili tramite deformazione 3-D. Per connettere bioelettrodi basati su nanosheet e una modalità indossabile bulk, Yamagishi et al. ha progettato e sviluppato un sistema di cablaggio basato su kirigami con le seguenti caratteristiche.
Preparazione di nanofogli polimerici conduttivi. (a) Illustrazione schematica della fabbricazione di nanofogli conduttivi a doppio strato PEDOT:PSS/SBS mediante un metodo roll-to-roll basato su rivestimento rotocalco. Un nanofoglio conduttivo indipendente, che era supportato da una cornice di nastro di carta adesiva, è stato ottenuto con un metodo dello strato sacrificale di PVA solubile in acqua. (b) Illustrazione schematica della procedura di fissaggio del nanofoglio conduttivo sulla pelle. (c) Immagine di due nanofogli conduttivi sulla pelle del palmo. Credito:Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
I ricercatori hanno assemblato i costituenti per formare un dispositivo a contatto con la pelle di tipo patch, che chiamarono "cerotto elastico kirigami". Hanno condotto misurazioni precise di sEMG utilizzando il dispositivo e ottenuto segnali dal muscolo abduttore breve del pollice (APBM) durante il lancio da parte di giocatori di baseball esperti. Hanno sincronizzato i segnali sEMG e l'accelerazione del braccio con fotografie sequenziali del movimento di beccheggio utilizzando telecamere ad alta velocità.
Il dispositivo sviluppato dagli scienziati potrebbe misurare i segnali sEMG dal palmo in modo minimamente percepibile a chi lo indossa. Per questo, hanno utilizzato film ultrasottili polimerici conduttivi a base di poli (3, 4-etilene diossitiofene):poli(stirene-solfonato) (PEDOT:PSS) noto come "nanofogli conduttivi" per formare gli elettrodi a contatto con la pelle ultraconformabili. Il team aveva precedentemente studiato la stabilità meccanica ed elettrica dei nanofogli conduttivi basati su PEDOT:PSS contro il sudore e ha scoperto che mantengono la funzione elettrica con integrità strutturale dopo l'immersione nel sudore artificiale per 180 minuti. I nanofogli elastici conduttivi a doppio strato contenenti PEDOT:PSS e polistirene-polibutadiene-polistirene triblock copolimero (SBS) aderiscono in modo conforme alla pelle umana senza reagenti adesivi e senza interferire con la naturale deformazione della pelle.
Il nanofoglio conduttivo a doppio strato PEDOT:PSS/PBS nello studio aveva uno spessore di 339 ± 91 nm, conducibilità di 500 S/cm e rigidità flessionale inferiore a 10 -2 nNm (nanonewtonmetro). La flessibilità, l'elasticità e la natura robusta del nanofoglio SBS hanno permesso al nanofoglio conduttivo a doppio strato di conformarsi all'adesione della pelle tramite le forze di van-der-Waals senza agenti adesivi. Yamagishi et al. testato la stabilità meccanica ed elastica dei nanofogli sul muscolo del palmo di un soggetto contro stiramenti e contrazioni meccaniche ripetitive. Hanno posizionato due fogli di film sottili di poliimmide spruzzato con Au su entrambi i lati del nanofoglio per fornire un contatto elettrico con i nanofogli.
Successivamente, hanno ricoperto il nanofoglio e le pellicole sottili di poliimmide spruzzata con Au con un cerotto adesivo trasparente a base di poliuretano. I ricercatori hanno misurato la resistenza del nanofoglio nel suo stato iniziale e dopo la contrazione/allungamento del muscolo del palmo. Non hanno osservato danni anche dopo cicli ripetitivi di allungamento e contrazioni per dimostrare chiaramente la consistenza della struttura e delle proprietà elettriche dell'elettrodo a nanofoglio, anche al massimo sforzo del palmo. I risultati suggeriscono la loro idoneità a funzionare come bioelettrodi in cicli ripetitivi di allungamento o contrazione. Il team ha costruito e testato il sistema di cablaggio kirigami per studiarne le proprietà meccaniche ed elettriche e ha rilevato le proprietà meccaniche del sistema di cablaggio utilizzando un tester di trazione. Il sistema di cablaggio elastico ha dimostrato l'elasticità basata sul kirigami ibrido e l'elasticità basata sulla gomma siliconica.
Prova di trazione del cablaggio elastico del kirigami. Credito:Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
Il team di ricerca ha quindi condotto test approfonditi in laboratorio per comprendere le proprietà di isolamento del cablaggio kirigami e il recupero della forma dopo l'allungamento e la contrazione. Per testare il dispositivo a contatto con la pelle ottimizzato con un cerotto kirigami elastico e un modulo Bluetooth, hanno misurato l'impedenza di contatto elettrodo-pelle prima e dopo che i partecipanti hanno eseguito un'oscillazione del braccio. Gli scienziati hanno confrontato i risultati con un campione non kirigami. Utilizzando tre telecamere ad alta velocità, hanno catturato il movimento di beccheggio dei partecipanti per studiare il modello del segnale SEMG tra l'APBM e altri muscoli.
Yamagishi et al. poi ha studiato il movimento di beccheggio in cinque fasi separate; esasperare, armamento anticipato, armamento tardivo, accelerazione e prosecuzione. Hanno accreditato la difficoltà generalmente osservata per i lanciatori di controllare le palle curve (rispetto alle palle veloci), al rafforzamento e all'indebolimento dell'attività APBM, circa -0,5 secondi dopo aver lanciato una palla curva. Le analisi elettromiografiche dell'APBM durante il movimento di lancio con il cerotto kirigami elastico intatto hanno indicato che i lanciatori controllavano l'attività dei muscoli del palmo durante la prima fase di armamento prima del rilascio della palla.
Movimento di lancio del partecipante che lancia una palla curva. Credito:Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
In questo modo, Kento Yamagishi e collaboratori hanno sviluppato un dispositivo patch a contatto con la pelle con un sistema di cablaggio estensibile ispirato al kirigami e bioelettrodi ultraconformabili basati su nanofogli conduttivi. Hanno condotto con successo analisi sEMG dinamiche del muscolo APBM, che non poteva essere testato con dispositivi convenzionali durante il lancio di baseball. Il dispositivo minimamente percepibile può essere utilizzato per indagare l'attività dei muscoli degli atleti durante l'esercizio senza interferire con le loro prestazioni. Le registrazioni sEMG osservate nel lavoro consentiranno ai ricercatori di ottenere una comprensione più profonda dell'attività muscolare in un'ampia gamma di sport e movimenti.
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