Inspiré par le rétablissement d'un professeur de l'Université du Michigan après un accident de vélo, un patch innovant pourrait faire entrer l'évaluation des articulations humaines dans le 21e siècle.

Le patch utilise des capteurs électroniques pour comprendre l'amplitude fonctionnelle du mouvement par opposition aux mesures statiques d'aujourd'hui. Influencé par le kirigami, l'art japonais de créer des structures 3D à partir de papier découpé, le capteur peut épouser les courbes d'un joint tout en pouvant être fabriqué à plat.

"L'épaule en particulier bouge d'une manière très complexe. C'est l'une des articulations les mieux articulées du corps, " dit Max Shtein, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université du Michigan, qui a écrasé son vélo et a collaboré avec ses élèves sur le travail.

"Personne n'a vraiment été capable de le suivre correctement avec quoi que ce soit de portable, et pourtant c'est la clé de tant d'activités dans le sport et la vie quotidienne."

Après s'être cassé la clavicule, Shtein a été consterné de constater que son physiothérapeute évaluait l'amplitude des mouvements de son épaule avec un rapporteur de base. La méthode est sujette à de grosses erreurs, et il n'avait aucun moyen de répéter les mesures à la maison.

Il s'est rendu compte qu'un capteur portable aurait pu enregistrer toute l'étendue de son mouvement et suivre ses exercices, mais il est coûteux de construire de l'électronique sur des structures courbes. Ce capteur devrait être fabriqué à plat tout en étant capable de suivre le contour de l'épaule d'un patient.

Lui et Erin Evke, un doctorant en science et ingénierie des matériaux, a trouvé une solution inspirée du kirigami. Elle a découpé au laser une fine feuille de plastique en un labyrinthe d'ovales concentriques. La forme se sépare presque comme un Slinky, et les découpes s'ouvrent en une dentelle sur l'épaule.

"Si vous prenez une feuille de papier et essayez de l'enrouler autour d'une sphère, il est impossible de le faire sans plier ou froisser le papier. Cela stresserait considérablement les capteurs avant même que votre mesure ne commence, " Evke a déclaré. "Notre modèle de coupe évite ce problème."

Parce que ces structures se transforment d'une feuille plate en une feuille infroissable, forme 3D, ils peuvent être fabriqués avec l'existant, technologies rentables. Shtein estime que le coût des capteurs individuels pourrait être inférieur à 10 $, en supposant une production de masse. C'est beaucoup moins que le coût d'un seul rendez-vous de physiothérapie. Cela pourrait être un moyen peu coûteux d'améliorer les résultats pour les patients.

Comme preuve de concept, l'équipe a équipé le patch kirigami de deux jauges de contrainte - une le long du coin de l'épaule pour capturer l'élévation et l'abaissement du bras, et l'autre à l'arrière de l'épaule pour mesurer les mouvements croisés.

Collaborer avec des chercheurs travaillant sous Deanna Gates, professeur agrégé de sciences du mouvement à l'U-M, L'équipe de Shtein a croisé les données du capteur kirigami avec les mouvements des bras capturés par un système de suivi des mouvements de la caméra. Le système utilise des marqueurs réfléchissants pour suivre les positions angulaires du bras et les reconstruit dans une simulation informatique.

L'équipe envisage que ce type de capteur peu coûteux pourrait être donné aux patients en physiothérapie, leur permettant d'enregistrer les exercices et de voir les progrès via une application pour smartphone. Cela pourrait aider les patients à rester honnêtes quant à la pratique de leurs exercices et fournir également des informations plus détaillées aux thérapeutes sur les progrès de chaque patient.

Evke, qui a participé à des compétitions d'athlétisme collégial, examine également comment il pourrait être utilisé pour aider les athlètes à améliorer leur forme.

"Puisque vous pouvez ajuster le design de la coupe pour qu'il corresponde aux courbures de toutes les différentes parties de votre corps, vous pouvez générer beaucoup de données qui peuvent être utilisées pour suivre votre forme, par exemple pendant le levage, ainsi que la quantité de tension appliquée sur vos articulations, ", a-t-elle déclaré. "L'utilisateur pourrait être alerté d'une forme incorrecte en temps réel et ainsi éviter les blessures."

Shtein a souligné que nous n'avons pas de bons moyens de mesurer les articulations et de comprendre comment en prendre soin. Des travaux récents suggèrent que les déchirures du ligament croisé antérieur, une grave blessure au genou subie par de nombreux athlètes, se produisent à la suite de contraintes cumulatives plutôt que d'une seule force excessive. Des problèmes similaires se produisent avec l'articulation de l'épaule. Des capteurs peu coûteux pourraient mesurer le stress afin que les athlètes et les entraîneurs puissent reconnaître les problèmes en évolution et éviter les blessures graves.

L'étude est publiée dans la revue Technologies avancées des matériaux .