Inspirado en la recuperación de un profesor de la Universidad de Michigan después de un accidente de bicicleta, un parche innovador podría llevar la evaluación de las articulaciones humanas al siglo XXI.

El parche utiliza sensores electrónicos para comprender el rango funcional de movimiento en comparación con las mediciones estáticas actuales. Influenciado por kirigami, el arte japonés de crear estructuras tridimensionales a partir de papel cortado, el sensor puede abrazar las curvas de una articulación y, sin embargo, puede fabricarse plano.

"El hombro en particular se mueve de una manera muy compleja. Es una de las articulaciones mejor articuladas del cuerpo, "dijo Max Shtein, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Michigan, que estrelló su bicicleta y colaboró ​​con sus alumnos en el trabajo.

"Nadie ha podido rastrearlo correctamente con cualquier dispositivo portátil, y, sin embargo, es clave para muchas actividades deportivas y de la vida diaria ".

Después de romperse la clavícula, Shtein se sintió consternado al descubrir que su fisioterapeuta evaluó el rango de movimiento de su hombro con un transportador básico. El método es propenso a grandes errores, y no tenía forma de repetir las medidas en casa.

Se dio cuenta de que un sensor portátil podría haber registrado todo el alcance de su movimiento y seguir sus ejercicios. pero es caro construir componentes electrónicos en estructuras curvas. Este sensor tendría que fabricarse plano, pero aún así podría seguir el contorno del hombro de un paciente.

Él y Erin Evke, un estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales, se le ocurrió una solución inspirada en kirigami. Cortó con láser una fina hoja de plástico en un laberinto de óvalos concéntricos. La forma se separa casi como un Slinky, y los cortes se abren en un encaje sobre el hombro.

"Si toma una hoja de papel y trata de envolverla alrededor de una esfera, es imposible hacerlo sin doblar o arrugar el papel. Esto tensionaría significativamente los sensores incluso antes de que comenzara la medición, ", Dijo Evke." Nuestro patrón de corte evita este problema ".

Debido a que estas estructuras se transforman de una hoja plana a una libre de arrugas, Forma tridimensional, se pueden fabricar con existentes, tecnologías rentables. Shtein estima que el costo de los sensores individuales podría ser inferior a $ 10, asumiendo la producción en masa. Eso es mucho menos que el costo de una sola cita de fisioterapia. Podría ser una forma económica de mejorar los resultados de los pacientes.

Como prueba de concepto, el equipo equipó el parche de kirigami con dos galgas extensométricas, una a lo largo de la esquina del hombro para capturar la subida y bajada del brazo, y el otro en la parte posterior del hombro para medir los movimientos cruzados del cuerpo.

Colaborando con investigadores que trabajan bajo Deanna Gates, profesor asociado de ciencia del movimiento en la U-M, El equipo de Shtein hizo una referencia cruzada de los datos del sensor kirigami con los movimientos del brazo capturados por un sistema de seguimiento de movimiento de la cámara. El sistema utiliza marcadores reflectantes para rastrear las posiciones angulares del brazo y las reconstruye en una simulación por computadora.

El equipo prevé que este tipo de sensor económico podría administrarse a pacientes de fisioterapia, permitiéndoles registrar ejercicios y ver el progreso a través de una aplicación de teléfono inteligente. Esto podría ayudar a que los pacientes sean honestos al hacer sus ejercicios y también proporcionar información más detallada a los terapeutas sobre el progreso de cada paciente.

Evke, que compitió en atletismo universitario, también considera cómo podría usarse para ayudar a los atletas a mejorar su forma.

"Dado que puede ajustar el diseño de corte para que coincida con las curvaturas de todas las diferentes partes de su cuerpo, puede generar una gran cantidad de datos que se pueden utilizar para realizar un seguimiento de su forma, por ejemplo, mientras levanta, así como la cantidad de tensión aplicada en sus articulaciones, ", dijo." El usuario podría ser alertado de una forma incorrecta en tiempo real y, por lo tanto, evitar lesiones ".

Shtein señaló que no tenemos buenas formas de medir las articulaciones y entender cómo cuidarlas. Un trabajo reciente sugiere que los desgarros en el ligamento cruzado anterior, una lesión grave de rodilla experimentada por muchos atletas, ocurren como resultado de tensiones acumulativas en lugar de una sola fuerza excesiva. Problemas similares ocurren con la articulación del hombro. Los sensores económicos podrían medir el estrés para que los atletas y entrenadores pudieran reconocer los problemas en evolución y evitar lesiones importantes.

El estudio se publica en la revista Tecnologías de materiales avanzadas .