用于棒球投球时手掌肌肉的肌电图分析的弹性kirigami贴片

时间:2019-12-30 18:52 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

用于棒球投球时手掌肌肉的肌电图分析的弹性kirigami贴片

表面肌电图(sEMG)被广泛应用于研究人体运动,包括运动表现。棒球投手需要非常精确的动作才能将球投到好球带,而在好球带中,手掌肌肉起着关键的作用。从手掌记录下的肌电信号可以帮助分析棒球投球过程中的运动,然而,目前的设备体积庞大,带有刚性电极,阻碍了佩戴者的自然运动。因此,Kento Yamagishi和一组来自日本高级科学与工程学院、体育学院和数字制造与设计学院的研究人员描述了一种新的皮肤接触贴片。该可穿戴设备包含了以猕猴桃为基础的可拉伸导线和以导电聚合物纳米薄片为基础的超柔性生物电极。研究小组设计了这种装置来解决人体皮肤和电子设备之间的机械不匹配问题,并在《亚洲自然》杂志上发表了研究结果。

该设备包含了一种灵感来自kirigami的布线设计和机械梯度结构,从基于纳米薄片的柔性生物电子学,形成了一个可穿戴的整体结构。该设计方法缓冲了手臂摆动过程中施加于皮肤接触生物电极的机械应力。更具体地说,Yamagishi等人测量了棒球运动员投球时外展短肌(APBM)的肌电图。研究小组观察了不同类型的快速球和弧线球的ABPM活性的差异。研究结果将使他们能够分析手掌和脚掌等未开发的肌肉区域的运动。这项工作将导致对一系列体育活动和其他运动中肌肉活动的深入分析。

可穿戴设备可以通过记录运动过程中肌电信号的准确测量,将小电极附着在皮肤表面,并通过电线连接到放大器上。然而,这样的设备会限制剧烈运动。对于棒球投手来说,手掌肌肉起着关键的作用,它需要在两毫秒的时间内进行非常精确的运动,才能将球投进好球带。由于球直接接触手掌肌肉,在实际投球过程中从手掌获取肌电图记录是非常困难的。此外,如果研究人员将电极连接到手掌而不是手掌肌肉上,很可能由于手腕弯曲而拉伤导线。因此,研究人员先前限制了在棒球投球时对肘部、肩胛肌肉和上下肢的肌电图分析,而没有检查释放球时的手掌肌肉。

用于棒球投球时手掌肌肉的肌电图分析的弹性kirigami贴片

在目前的工作中,Yamagishi等人通过开发一种皮肤接触贴片来解决这一问题,该贴片包含基于导电聚合物纳米薄片的可变形电极和基于“kirigami”的可拉伸布线。Kirigami是一种广泛应用于可拉伸电子领域的日本纸艺术,因其灵活性。该技术可以通过三维变形使石墨烯和碳纳米管纳米复合材料等二维(2-D)材料具有可拉伸性。为了将基于纳米片的生物电极与可穿戴体模式连接起来,Yamagishi等人设计并开发了一种基于猕猴猴岛的布线系统,该系统具有以下特点。

用于棒球投球时手掌肌肉的肌电图分析的弹性kirigami贴片

研究人员将这些成分组合在一起,形成了一种贴片式皮肤接触装置,他们将这种装置命名为“有弹性的猕猴王贴片”。他们使用该设备进行了肌电图的精确测量,并在有经验的棒球运动员投球时从外展短肌(APBM)获得信号。他们使用高速摄像机将肌电信号和手臂的加速度与俯仰运动的连续照片同步。

科学家们开发的这种设备可以以最低限度的方式测量来自手掌的肌电信号。为此,他们使用了导电聚合物超薄薄膜基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS),即所谓的“导电纳米片”来形成超可塑的皮肤接触电极。该团队之前研究了PEDOT:基于pss的导电纳米片对汗液的机械和电气稳定性,发现它们在人工汗液中浸泡180分钟后,仍能保持结构完整的电气功能。含有PEDOT:PSS和聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)的双层弹性导电纳米片与人体皮肤完全贴合,没有任何粘合剂,也不影响皮肤的自然变形。

本研究的PEDOT:PSS/PBS双层导电纳米片厚度为339±91 nm,导电率为500 S/cm,抗弯刚度小于10-2 nNm(纳米wton米)。SBS纳米片的柔韧性、可拉伸性和坚固性使双涂层导电纳米片在没有粘合剂的情况下通过范德华力与皮肤粘附。Yamagishi等人测试了纳米薄片在受试者手掌肌肉上的机械和弹性稳定性,以对抗重复的机械拉伸和收缩。他们在纳米薄片的两侧放置了两片金溅射聚酰亚胺薄膜,以提供与纳米薄片的电接触。

然后,他们在纳米薄片和金溅射聚酰亚胺薄膜上覆盖了一层以聚氨酯为基的透明胶布。研究人员测量了纳米薄片在初始状态和手掌肌肉收缩/拉伸后的电阻。他们甚至没有观察到在重复的拉伸和收缩周期后的损伤,以清楚地显示纳米片电极的结构和电特性的一致性,即使在手掌的最大应变下也是如此。结果表明,在重复的拉伸或收缩周期下,它们适合作为生物电极。研究小组建造和测试了菊泥布线系统,以研究其机械和电气性能,并使用拉力测试仪检测了布线系统的机械性能。弹性布线系统表现出以猕猴桃为基础的可拉伸性和以硅橡胶为基础的弹性。

用于棒球投球时手掌肌肉的肌电图分析的弹性kirigami贴片

研究小组随后在实验室进行了广泛的测试,以了解猕猴桃电线的绝缘性能,以及伸长和收缩后的形状恢复情况。为了测试使用弹性kirigami贴片和蓝牙模块优化的皮肤接触设备,他们测量了参与者手臂摆动前后的皮肤电极接触阻抗。科学家们将结果与非猕猴桃样本进行了比较。使用三个高速摄像机,他们捕获了参与者的俯仰运动,以研究APBM和其他肌肉之间的肌电信号模式。

Yamagishi等人研究了五个不同阶段的俯仰运动;准备,早准备,晚准备,加速和跟进。他们认为投手控制弧线球(与快速球相比)的普遍观察难度,在于投出弧线球后约-0.5秒,APBM的活动就会加强或减弱。使用完整弹性的kirigami补片进行俯仰运动时的APBM肌电图分析表明,投手在释放球前的前仰阶段控制了手掌肌肉的活动。

用于棒球投球时手掌肌肉的肌电图分析的弹性kirigami贴片

通过这种方式,Kento Yamagishi和他的同事们开发了一种皮肤接触贴片装置,该装置采用了一种受kirigami启发的可伸缩布线系统和基于导电纳米薄片的超柔性生物电极。他们成功地进行了APBM肌肉的动态肌电图分析,这是在棒球投球时无法用常规设备进行测试的。该装置可在不影响运动员运动成绩的前提下,对运动员运动过程中肌肉的活动进行检测。在研究中观察到的肌电信号记录将使研究人员对大范围的运动和动作中的肌肉活动有更深入的了解。

科学X网

当前位置:主页 > 技术知识 >

声明:本文小可爱科技知识网整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/jishu/414.html

围观: 次 | 责任编辑:小可爱科技知识网



回到顶部