Inspirerad av en professor vid University of Michigans återhämtning efter en cykelkrasch, ett innovativt plåster skulle kunna föra bedömningen av mänskliga leder in på 2000-talet.

Plåstret använder elektroniska sensorer för att förstå det funktionella rörelseomfånget i motsats till dagens statiska mätningar. Influerad av kirigami, den japanska konsten att skapa 3D-strukturer från klippt papper, sensorn kan omsluta kurvorna på en led och kan ändå tillverkas platt.

"Särskilt axeln rör sig på ett mycket komplext sätt. Det är en av de mest välartikulerade lederna i kroppen, sa Max Shtein, professor i materialvetenskap och teknik vid University of Michigan, som kraschade med sin cykel och samarbetade med sina elever i arbetet.

"Ingen har verkligen kunnat spåra det ordentligt med något bärbart, och ändå är det nyckeln till så många aktiviteter i sport och dagligt liv."

Efter att ha brutit nyckelbenet, Shtein blev bestört när han upptäckte att hans fysioterapeut bedömde rörelseomfånget i hans axel med en grundläggande gradskiva. Metoden är utsatt för stora fel, och han hade ingen möjlighet att upprepa mätningarna hemma.

Han insåg att en bärbar sensor kunde ha registrerat hela omfattningen av hans rörelse och spårat hans övningar, men det är dyrt att bygga elektronik på böjda strukturer. Denna sensor skulle behöva tillverkas platt men fortfarande kunna följa konturen av en patients axel.

Han och Erin Evke, doktorand i materialvetenskap och teknik, kom på en lösning inspirerad av kirigami. Hon laserskar ett tunt plastark till en labyrint av koncentriska ovaler. Formen dras isär nästan som en Slinky, och snitten öppnar sig till en spets över axeln.

"Om du tar ett pappersark och försöker linda det runt en sfär, det är omöjligt att göra det utan att vika eller skrynkla papperet. Detta skulle avsevärt stressa sensorerna innan din mätning ens började, "Vårt snittmönster undviker det här problemet, sa Evke."

Eftersom dessa strukturer förvandlas från ett platt ark till ett skrynkelfritt, 3D-form, de kan tillverkas med befintliga, kostnadseffektiva tekniker. Shtein uppskattar att kostnaden för individuella sensorer kan vara under $10, antar massproduktion. Det är mycket mindre än kostnaden för ett enstaka sjukgymnastikbesök. Det kan vara ett billigt sätt att förbättra patientresultaten.

Som ett proof-of-concept, teamet utrustade kirigami-plåstret med två töjningsmätare – en längs hörnet av axeln för att fånga höjningen och sänkningen av armen, och den andra på baksidan av axeln för att mäta rörelser över kroppen.

Samarbetar med forskare som arbetar under Deanna Gates, en docent i rörelsevetenskap vid U-M, Shteins team korsrefererade data från kirigami-sensorn med armrörelser som fångats av ett kamerarörelsesystem. Systemet använder reflekterande markörer för att spåra armens vinkelpositioner och rekonstruerar dem i en datorsimulering.

Teamet föreställer sig att den här typen av billiga sensorer skulle kunna ges till sjukgymnastikpatienter, gör det möjligt för dem att logga övningar och se framsteg via en smartphone-app. Detta kan hjälpa till att hålla patienterna ärliga när det gäller att göra sina övningar och även ge mer detaljerad information till terapeuter om varje patients framsteg.

Evke, som tävlade i college friidrott, överväger också hur det kan användas för att hjälpa idrottare att förbättra sin form.

"Eftersom du kan ställa in snittdesignen så att den matchar krökningarna av alla olika delar av din kropp, du kan generera en massa data som kan användas för att spåra din form – till exempel när du lyfter – såväl som mängden belastning på lederna, ", sa hon. "Användaren kan bli varnad om felaktig form i realtid och därför förhindra skador."

Shtein påpekade att vi inte har bra sätt att mäta leder och förstå hur man tar hand om dem. Nyligen arbete tyder på att revor i det främre korsbandet, en allvarlig knäskada som många idrottare upplevt, uppstår som ett resultat av kumulativa spänningar snarare än en enda överdriven kraft. Liknande problem uppstår med axelleden. Billiga sensorer kan mäta påfrestningar så att idrottare och tränare kan känna igen problem som utvecklas och undvika större skador.

Studien publiceras i tidskriften Avancerad materialteknik .