Patch kirigami élastique composé de nanofeuilles conductrices et de câblages kirigami élastiques pour l'enregistrement sEMG sur le muscle de la paume lors d'un lancer de baseball. (a) Image (en haut) et illustration schématique (en bas) du patch kirigami élastique attaché à la peau et connecté à un module Bluetooth. Le patch kirigami élastique se compose de deux nanofeuilles conductrices et de deux câblages kirigami élastiques. (b) Photographies séquentielles du mouvement de tangage enregistrées par des caméras à grande vitesse. (c) Illustration schématique de la nanofeuille conductrice PEDOT:PSS/SBS. (d) Constitution du câblage kirigami élastique. Crédit :Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
L'électromyographie de surface (sEMG) est largement utilisée pour étudier le mouvement humain, y compris la performance athlétique. Les lanceurs de baseball nécessitent des mouvements très précis pour lancer la balle dans la zone de frappe, où le muscle de la paume joue un rôle clé pendant le mouvement. L'enregistrement du sEMG de la paume peut aider à analyser le mouvement pendant le lancer de baseball, cependant, les dispositifs actuellement disponibles sont encombrants avec des électrodes rigides qui empêchent le mouvement naturel du porteur. Kento Yamagishi et une équipe de chercheurs de la School of Advanced Science and Engineering, Faculté des Sports, et la fabrication et la conception numériques au Japon, donc décrit un nouveau patch de contact avec la peau. Le dispositif portable contenait des câblages extensibles à base de kirigami et des bioélectrodes ultraconformables à base de nanofeuilles de polymère conducteur. L'équipe de recherche a conçu l'appareil pour remédier à l'inadéquation mécanique entre la peau humaine et l'électronique et a publié les résultats sur Nature Asie Matériaux .
Le dispositif contenait une conception de câblage inspirée du kirigami et une structure de gradient mécanique à partir de bioélectronique flexible à base de nanofeuilles pour former une construction portable en vrac. L'approche de conception a amorti le stress mécanique appliqué aux bioélectrodes en contact avec la peau lors d'un mouvement de balancement du bras. Plus précisement, Yamagishi et al. mesuré le sEMG au niveau du muscle court abducteur du pouce (APBM) chez un joueur de baseball pendant le tangage. L'équipe de recherche a observé des différences dans l'activité de l'ABPM entre différents types de balles rapides et de balles courbes. Les résultats leur permettront d'analyser le mouvement dans des zones musculaires inexplorées telles que la paume et la plante des pieds. Le travail conduira à une analyse plus approfondie de l'activité musculaire au cours d'une gamme d'activités sportives et d'autres mouvements.
Les appareils portables peuvent faciliter des mesures précises de sEMG pendant l'exercice via des enregistrements avec de petites électrodes fixées à la surface de la peau et connectées à un amplificateur avec des fils/ Cependant, de tels dispositifs peuvent restreindre les mouvements vigoureux. Le muscle de la paume joue un rôle clé pour les lanceurs de baseball, nécessitant un mouvement très précis dans une fenêtre de deux millisecondes pour lancer la balle dans la zone de frappe. Puisque la balle touche directement le muscle de la paume, l'obtention d'enregistrements sEMG à partir de la paume lors d'un pitch réel est extrêmement difficile. Par ailleurs, si les chercheurs attachaient des électrodes à la paume au lieu du muscle de la paume, il est susceptible de tendre les fils conducteurs en raison des flexions du poignet. Par conséquent, les chercheurs avaient auparavant restreint les analyses sEMG lors d'un lancer de baseball au coude, les muscles scapulaires et les membres inférieurs et supérieurs sans examiner le muscle de la paume lors du lâcher du ballon.
Propriétés mécaniques des câblages élastiques de kirigami. (a) Images du câblage élastique du kirigami avant (à gauche) et après (à droite) l'étirement à la main. (b) Images microscopiques du câblage élastique du kirigami allongé à 25% (à gauche), 100% (milieu), et 150 % (à droite) de déformation. (c) Images optiques (à gauche) et SEM (au milieu et à droite) du câblage élastique du kirigami sous une contrainte de 150 %. Il n'y a pas de délaminage entre les couches de caoutchouc de silicone supérieure et inférieure. (d) Courbes contrainte-déformation des câblages élastiques de kirigami de trois conceptions différentes, l'échantillon non kirigami, et la feuille de caoutchouc de silicone (traits pleins :mesurés, lignes pointillées :simulé FEM). Les graphiques de gauche et de droite sont affichés dans des échelles de contrainte exponentielles et linéaires, respectivement. (e) Images simulées par FEM du câblage élastique du kirigami de w1/w2/w3/w4 = 0.75/3.5/0.5/1.0 à 0%, 50%, 100%, et 150 % (de gauche à droite) de déformation en traction. Crédit :Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
Dans le travail present, Yamagishi et al. a résolu le problème en développant un patch de contact cutané contenant des électrodes ultraconformables à base de nanofeuilles de polymère conducteur et un câblage extensible à base de "kirigami". Kirigami est un type d'art du papier japonais largement utilisé dans le domaine de l'électronique extensible en raison de sa flexibilité. La technique peut rendre les matériaux bidimensionnels (2-D) généralement non étirables et rigides tels que le graphène et les nanocomposites de nanotubes de carbone pour être étirables via une déformation 3-D. Pour connecter des bioélectrodes à base de nanofeuilles et un mode portable en vrac, Yamagishi et al. conçu et développé un système de câblage à base de kirigami possédant les caractéristiques suivantes.
Préparation de nanofeuillets de polymère conducteur. (a) Illustration schématique de la fabrication de nanofeuilles conductrices bicouches PEDOT:PSS/SBS par une méthode roll-to-roll basée sur un revêtement par gravure. Une nanofeuille conductrice autonome, qui était soutenu par un cadre de ruban adhésif en papier, a été obtenu par une méthode de couche sacrificielle en PVA soluble dans l'eau. (b) Illustration schématique de la procédure de fixation de la nanofeuille conductrice sur la peau. (c) Image de deux nanofeuilles conductrices sur la peau de la paume. Crédit :Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
Les chercheurs ont assemblé les composants pour former un dispositif de contact cutané de type patch, qu'ils ont nommé le "patch kirigami élastique". Ils ont effectué des mesures précises de sEMG à l'aide de l'appareil et obtenu des signaux du muscle court abducteur du pouce (APBM) pendant le lancer par des joueurs de baseball expérimentés. Ils ont synchronisé les signaux sEMG et l'accélération du bras avec des photographies séquentielles du mouvement de tangage à l'aide de caméras à grande vitesse.
L'appareil développé par les scientifiques pourrait mesurer les signaux sEMG de la paume d'une manière minimalement perceptible par le porteur. Pour ça, ils ont utilisé des films ultraminces polymères conducteurs à base de poly (3, 4-éthylène dioxythiophène) :poly(styrène-sulfonate) (PEDOT :PSS) connu sous le nom de « nanofeuillets conducteurs » pour former les électrodes de contact cutané ultraconformables. L'équipe avait précédemment étudié la stabilité mécanique et électrique des nanofeuilles conductrices à base de PEDOT:PSS contre la sueur et avait découvert qu'elles conservaient une fonction électrique avec une intégrité structurelle après immersion dans la sueur artificielle pendant 180 minutes. Les nanofeuilles conductrices élastiques bicouches contenant du PEDOT:PSS et du copolymère tribloc polystyrène-polybutadiène-polystyrène (SBS) adhèrent de manière conforme à la peau humaine sans aucun réactif adhésif et sans interférer avec la déformation naturelle de la peau.
La nanofeuille conductrice bicouche PEDOT:PSS/PBS de l'étude avait une épaisseur de 339 ± 91 nm, conductivité de 500 S/cm et rigidité à la flexion inférieure à 10 -2 nNm (nanonewton mètre). La flexibilité, L'extensibilité et la nature robuste de la nanofeuille SBS ont permis à la nanofeuille conductrice bicouche de se conformer à l'adhérence cutanée via les forces de van-der-Waals sans agents adhésifs. Yamagishi et al. testé la stabilité mécanique et élastique des nanofeuillets sur le muscle de la paume d'un sujet contre les étirements et contractions mécaniques répétitifs. Ils ont placé deux feuilles de films minces de polyimide pulvérisé Au de chaque côté de la nanofeuille pour fournir un contact électrique avec les nanofeuilles.
Après, ils ont recouvert la nanofeuille et les films minces de polyimide pulvérisés d'un avec un pansement adhésif transparent à base de polyuréthane. Les chercheurs ont mesuré la résistance de la nanofeuille dans son état initial et après contraction/étirement du muscle de la paume. Ils n'ont pas observé de dommages même après des cycles répétitifs d'étirement et de contractions pour démontrer clairement la cohérence de la structure et des propriétés électriques de l'électrode nanofeuille, même à la contrainte maximale de la paume. Les résultats suggèrent leur aptitude à fonctionner comme des bioélectrodes sous des cycles répétitifs d'étirement ou de contraction. L'équipe a construit et testé le système de câblage kirigami pour étudier ses propriétés mécaniques et électriques et détecté les propriétés mécaniques du système de câblage à l'aide d'un testeur de traction. Le système de câblage élastique a démontré une extensibilité hybride à base de kirigami et une élasticité à base de silicone et de caoutchouc.
Essai de traction du câblage élastique du kirigami. Crédit :Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
L'équipe de recherche a ensuite effectué des tests approfondis en laboratoire pour comprendre la propriété d'isolation du câblage kirigami et la récupération de forme après allongement et contraction. Pour tester le dispositif de contact cutané optimisé avec un patch kirigami élastique et un module Bluetooth, ils ont mesuré l'impédance de contact électrode-peau avant et après que les participants aient effectué un balancement des bras. Les scientifiques ont comparé les résultats avec un échantillon non kirigami. À l'aide de trois caméras à grande vitesse, ils ont capturé le mouvement de tangage des participants pour étudier le modèle de signal SEMG entre l'APBM et d'autres muscles.
Yamagishi et al. puis a étudié le mouvement de tangage en cinq phases distinctes ; liquidation, armement précoce, armement tardif, accélération et suivi. Ils ont attribué la difficulté généralement observée pour les lanceurs à contrôler les balles courbes (par rapport aux balles rapides), au renforcement et à l'affaiblissement de l'activité de l'APBM, environ -0,5 secondes après avoir lancé une balle courbe. Les analyses électromyographiques de l'APBM pendant le mouvement de tangage avec le patch de kirigami élastique intact ont indiqué que les lanceurs contrôlaient l'activité musculaire de la paume pendant la phase d'armement précoce avant de relâcher la balle.
Mouvement de tangage du participant lançant une balle courbe. Crédit :Nature Asia Materials, doi:10.1038/s41427-019-0183-1
De cette façon, Kento Yamagishi et ses collègues ont développé un dispositif de patch de contact avec la peau avec un système de câblage extensible inspiré du kirigami et des bioélectrodes ultraconformables à base de nanofeuilles conductrices. Ils ont mené avec succès des analyses sEMG dynamiques du muscle APBM, qui n'a pas pu être testé avec des appareils conventionnels lors d'un lancer de baseball. L'appareil à perception minimale peut être utilisé pour étudier l'activité des muscles des athlètes pendant l'exercice sans interférer avec leurs performances. Les enregistrements sEMG observés dans le travail permettront aux chercheurs d'obtenir une compréhension plus approfondie de l'activité musculaire dans un large éventail de sports et de mouvements.
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