Ytelektromyografi (sEMG) används ofta för att undersöka mänskliga rörelser inklusive atletisk prestation. Baseballpitchers kräver mycket exakta rörelser för att kasta bollen till slagzonen, där handflatsmuskeln spelar en nyckelroll under rörelse. Att spela in sEMG från handflatan kan hjälpa till att analysera rörelse under baseball pitching, dock, för närvarande tillgängliga anordningar är skrymmande med styva elektroder som hindrar bärarens naturliga rörelse. Kento Yamagishi och ett team av forskare vid School of Advanced Science and Engineering, Idrottsfakulteten, och digital tillverkning och design i Japan, beskrev därför ett nytt hudkontaktplåster. Den bärbara enheten innehöll kirigami-baserade töjbara ledningar och ledande polymer nanosheet-baserade ultraformbara bioelektroder. Forskargruppen designade enheten för att ta itu med den mekaniska obalansen mellan mänsklig hud och elektronik och publicerade resultaten på Nature Asia Materials .

Enheten innehöll en kirigami-inspirerad ledningsdesign och mekanisk gradientstruktur från nanosheetbaserad flexibel bioelektronik för att bilda en bärbar konstruktion. Designmetoden buffrade den mekaniska spänningen som applicerades på hudkontaktbioelektroderna under en armsvingningsrörelse. Mer specifikt, Yamagishi et al. mätte sEMG vid abductor pollicis brevis muskel (APBM) hos en basebollspelare under pitching. Forskargruppen observerade skillnader i aktiviteten hos ABPM mellan olika typer av snabbbollsplaner och kurvbollsplaner. Resultaten kommer att tillåta dem att analysera rörelse i outforskade muskelområden som handflatan och sulan. Arbetet kommer att leda till djupare analys av muskelaktivitet under en rad sportaktiviteter och andra rörelser.

Bärbara enheter kan underlätta noggranna mätningar av sEMG under träning via inspelningar med små elektroder fästa på hudytan och anslutna till en förstärkare med ledningar/ sådana anordningar kan begränsa kraftiga rörelser. Handflatsmuskeln spelar en nyckelroll för baseballpitchers, kräver mycket exakta rörelser inom ett två millisekunders fönster för att kasta bollen in i slagzonen. Eftersom bollen direkt berör handflatans muskel, att få sEMG-inspelningar från handflatan under en faktisk tonhöjd är extremt svårt. Vidare, om forskare fäste elektroder på handflatan istället för handflatans muskel, det är troligt att det belastar ledningstrådarna på grund av handledsböjningar. Som ett resultat, forskare hade tidigare begränsat sEMG-analyser under baseball-pitching till armbågen, skulderbladsmuskler och nedre och övre extremiteter utan att undersöka palmmuskeln under bollsläpp.

I detta arbete, Yamagishi et al. åtgärdade problemet genom att utveckla en hudkontaktplåster innehållande ledande polymer nanosheet-baserade ultrakonforma elektroder och "kirigami"-baserade töjbara ledningar. Kirigami är en typ av japansk papperskonst som ofta används inom området töjbar elektronik på grund av dess flexibilitet. Tekniken kan göra generellt outtöjbara och styva tvådimensionella (2-D) material som grafen och nanokompositer av kol-nanorör att vara sträckbara via 3-D-deformation. För att ansluta nanoarkbaserade bioelektroder och ett bulk-bärbart läge, Yamagishi et al. designat och utvecklat ett kirigami-baserat ledningssystem som har följande funktioner.

1. 2-D-membranbaserad formbar hudvidhäftning
2. Töjbarhet med minimala förändringar i motstånd, och
3. En helt isolerad struktur med ett ledande lager och kirigami-mönstrade elastomeriska isolerande lager.

Forskarna satte ihop beståndsdelarna för att bilda en hudkontaktenhet av patchtyp, som de kallade det "elastiska kirigami-plåstret". De utförde exakta mätningar av sEMG med hjälp av enheten och fick signaler från abductor pollicis brevis muskel (APBM) under pitching av erfarna basebollspelare. De synkroniserade sEMG-signalerna och armens acceleration med sekventiella fotografier av pitchrörelsen med hjälp av höghastighetskameror.

Enheten som utvecklats av forskarna kunde mäta sEMG-signaler från handflatan på ett minimalt märkbart sätt för bäraren. För detta, de använde ledande polymer ultratunna filmer baserade på poly (3, 4-etylendioxitiofen):poly(styren-sulfonat) (PEDOT:PSS) känd som "ledande nanosheets" för att bilda ultrakonforma hudkontaktelektroder. Teamet hade tidigare undersökt den mekaniska och elektriska stabiliteten hos PEDOT:PSS-baserade ledande nanosheets mot svett och funnit att de bibehåller elektrisk funktion med strukturell integritet efter nedsänkning i konstgjord svett i 180 minuter. De tvåskiktiga elastiska ledande nanoskivorna innehållande PEDOT:PSS och polystyren-polybutadien-polystyren triblock-sampolymer (SBS) fäste på ett smidigt sätt på mänsklig hud utan några adhesiva reagenser och utan att störa hudens naturliga deformation.

PEDOT:PSS/PBS tvålagers ledande nanoskiva i studien hade en tjocklek på 339 ± 91 nm, ledningsförmåga på 500 S/cm och böjstyvhet mindre än 10 ^-2 nNm (nanonewtonmeter). Flexibiliteten, töjbarhet och robust natur hos SBS nanoarket gjorde att det dubbelskiktade ledande nanoarket kunde anpassa sig till hudvidhäftning via van-der-Waals krafter utan adhesiva medel. Yamagishi et al. testade den mekaniska och elastiska stabiliteten av nanosheets på handflatans muskel hos ett försöksperson mot upprepad mekanisk stretching och sammandragningar. De placerade två ark av Au-sputtered polyimid tunna filmer på vardera sidan av nanosheet för att ge elektrisk kontakt med nanosheets.

Därefter, de täckte nanoarket och Au-förstoftade polyimid-tunna filmer med en polyuretanbaserad transparent självhäftande plåster. Forskarna mätte motståndet hos nanoskiktet i dess initiala tillstånd och efter sammandragning/sträckning av handflatsmuskeln. De observerade inte skador även efter upprepade cykler av sträckning och sammandragningar för att tydligt visa konsistensen av strukturen och elektriska egenskaper hos nanosheetelektroden, även vid maximal belastning av handflatan. Resultaten tyder på deras lämplighet att fungera som bioelektroder under repetitiva cykler av sträckning eller sammandragning. Teamet konstruerade och testade kirigami-ledningssystemet för att undersöka dess mekaniska och elektriska egenskaper och upptäckte de mekaniska egenskaperna hos ledningssystemet med hjälp av en dragprovare. Det elastiska ledningssystemet visade hybrid kirigami-baserad töjbarhet och silikongummibaserad elasticitet.

Forskargruppen genomförde sedan omfattande tester i labbet för att förstå isoleringsegenskaperna hos kirigami-ledningar och formåtervinning efter förlängning och sammandragning. För att testa hudkontaktenheten optimerad med en elastisk kirigami-plåster och en Bluetooth-modul, de mätte elektrod-hudkontaktimpedansen före och efter att deltagarna utfört en armsvängning. Forskarna jämförde resultaten med ett icke-kirigami-prov. Med hjälp av tre höghastighetskameror, de fångade deltagarnas pitchrörelse för att undersöka SEMG-signalmönstret mellan APBM och andra muskler.

Yamagishi et al. sedan undersökte pitchrörelsen i fem separata faser; skruva upp, tidig spänning, sen spänning, acceleration och uppföljning. De krediterade den allmänt observerade svårigheten för kannor att kontrollera kurvbollar (jämfört med snabba bollar), till förstärkning och försvagning av APBM-aktivitet, ungefär -0,5 sekunder efter att ha kastat en kurvboll. De elektromyografiska analyserna av APBM under pitching-rörelse med det intakta elastiska kirigami-plåstret indikerade att kannor kontrollerade palmmuskelaktiviteten under den tidiga spetsfasen innan bollen släpptes.

På det här sättet, Kento Yamagishi och medarbetare utvecklade en hudkontaktplåster med ett kirigami-inspirerat töjbart ledningssystem och ledande nanoarkbaserade ultrakonforma bioelektroder. De genomförde framgångsrikt dynamiska sEMG-analyser av APBM-muskeln, som inte kunde testas med konventionella enheter under baseball pitching. Den minimalt märkbara enheten kan användas för att undersöka aktiviteten hos idrottares muskler under träning utan att störa deras prestation. De sEMG-inspelningar som observerats i arbetet kommer att tillåta forskare att få djupare förståelse för muskelaktivitet inom ett brett utbud av sporter och rörelser.

© 2019 Science X Network