La electromiografía de superficie (sEMG) se utiliza ampliamente para investigar el movimiento humano, incluido el rendimiento deportivo. Los lanzadores de béisbol requieren movimientos muy precisos para lanzar la pelota a la zona de strike, donde el músculo de la palma juega un papel clave durante el movimiento. Grabar el sEMG de la palma de la mano puede ayudar a analizar el movimiento durante el lanzamiento de béisbol, sin embargo, Los dispositivos actualmente disponibles son voluminosos con electrodos rígidos que impiden el movimiento natural del usuario. Kento Yamagishi y un equipo de investigadores de la Escuela de Ciencias e Ingeniería Avanzadas, Facultad de Deportes, y fabricación y diseño digital en Japón, por lo tanto, describió un nuevo parche de contacto con la piel. El dispositivo portátil contenía cables elásticos basados ​​en kirigami y bioelectrodos ultraconformables basados ​​en nano láminas de polímero conductor. El equipo de investigación diseñó el dispositivo para abordar el desajuste mecánico entre la piel humana y la electrónica y publicó los resultados en Materiales de Nature Asia .

El dispositivo contenía un diseño de cableado inspirado en kirigami y una estructura de gradiente mecánico de bioelectrónica flexible basada en nanohojas para formar una construcción portátil a granel. El enfoque de diseño amortiguó la tensión mecánica aplicada a los bioelectrodos de contacto con la piel durante un movimiento de balanceo del brazo. Más específicamente, Yamagishi y col. midió el sEMG en el músculo abductor pollicis brevis (APBM) en un jugador de béisbol durante el lanzamiento. El equipo de investigación observó diferencias en la actividad de la MAPA entre diferentes tipos de lanzamientos de bola rápida y bola curva. Los resultados les permitirán analizar el movimiento en áreas musculares inexploradas como la palma y la planta del pie. El trabajo conducirá a un análisis más profundo de la actividad muscular durante una variedad de actividades deportivas y otros movimientos.

Los dispositivos portátiles pueden facilitar mediciones precisas de sEMG durante el ejercicio mediante grabaciones con pequeños electrodos adheridos a la superficie de la piel y conectados a un amplificador con cables / Sin embargo, tales dispositivos pueden restringir los movimientos vigorosos. El músculo de la palma juega un papel clave para los lanzadores de béisbol, que requiere un movimiento muy preciso dentro de una ventana de dos milisegundos para lanzar la pelota a la zona de strike. Dado que la pelota toca directamente el músculo de la palma, obtener grabaciones sEMG de la palma de la mano durante un lanzamiento real es extremadamente difícil. Es más, si los investigadores colocaran electrodos en la palma en lugar del músculo de la palma, es probable que se tense los cables conductores debido a la flexión de la muñeca. Como resultado, Los investigadores habían restringido previamente los análisis de sEMG durante el lanzamiento de béisbol al codo, músculos escapulares y extremidades inferiores y superiores sin examinar el músculo de la palma durante la liberación de la pelota.

En el presente trabajo, Yamagishi y col. abordó el problema desarrollando un parche de contacto con la piel que contiene electrodos ultraconformables basados ​​en nanohojas de polímero conductor y cableado extensible basado en "kirigami". Kirigami es un tipo de arte de papel japonés ampliamente empleado en el campo de la electrónica extensible debido a su flexibilidad. La técnica puede hacer que materiales bidimensionales (2-D) rígidos y generalmente rígidos, como el grafeno y los nanocompuestos de nanotubos de carbono, sean estirables mediante deformación tridimensional. Para conectar bioelectrodos basados ​​en nanohojas y un modo portátil a granel, Yamagishi y col. diseñó y desarrolló un sistema de cableado basado en kirigami que posee las siguientes características.

1. Adhesión cutánea conformable a base de membrana 2-D
2. Estirabilidad con cambios mínimos en la resistencia, y
3. Una estructura completamente aislada con una capa conductora y capas aislantes elastoméricas con patrón de kirigami.

Los investigadores reunieron los componentes para formar un dispositivo de contacto con la piel tipo parche, al que llamaron el "parche elástico de kirigami". Llevaron a cabo mediciones precisas de sEMG utilizando el dispositivo y obtuvieron señales del músculo abductor pollicis brevis (APBM) durante el lanzamiento de jugadores de béisbol experimentados. Sincronizaron las señales sEMG y la aceleración del brazo con fotografías secuenciales del movimiento de lanzamiento utilizando cámaras de alta velocidad.

El dispositivo desarrollado por los científicos podía medir las señales sEMG de la palma de una manera mínimamente perceptible para el usuario. Para esto, utilizaron películas ultrafinas de polímero conductor basadas en poli (3, 4-etileno dioxitiofeno):poli (estireno-sulfonato) (PEDOT:PSS) conocido como "nanoláminas conductoras" para formar los electrodos de contacto con la piel ultraconformables. El equipo había investigado previamente la estabilidad mecánica y eléctrica de las nanoplacas conductoras basadas en PEDOT:PSS contra el sudor y descubrió que retienen la función eléctrica con integridad estructural después de la inmersión en sudor artificial durante 180 minutos. Las nanoláminas conductoras elásticas de dos capas que contienen PEDOT:PSS y copolímero tribloque de poliestireno-polibutadieno-poliestireno (SBS) se adhieren de manera conformada a la piel humana sin reactivos adhesivos y sin interferir con la deformación natural de la piel.

La nanoplaca conductora de dos capas PEDOT:PSS / PBS del estudio tenía un grosor de 339 ± 91 nm, conductividad de 500 S / cm y rigidez a la flexión inferior a 10 ^-2 nNm (nanonewton metro). La flexibilidad la capacidad de estiramiento y la naturaleza robusta de la nanohoja SBS permitieron que la nanohoja conductora de dos capas se adaptara a la adhesión de la piel a través de las fuerzas de van-der-Waals sin agentes adhesivos. Yamagishi y col. probó la estabilidad mecánica y elástica de las nanohojas en el músculo de la palma de un sujeto contra estiramientos y contracciones mecánicas repetitivas. Colocaron dos hojas de películas delgadas de poliimida pulverizadas con Au a cada lado de la nanohoja para proporcionar contacto eléctrico con las nanohojas.

Después de eso, cubrieron las películas delgadas de poliimida pulverizada con Au y nanoplacas con un yeso adhesivo transparente a base de poliuretano. Los investigadores midieron la resistencia de la nanolámina en su estado inicial y después de la contracción / estiramiento del músculo de la palma. No observaron daños incluso después de ciclos repetitivos de estiramiento y contracciones para demostrar claramente la consistencia de la estructura y la propiedad eléctrica del electrodo de nanohoja. incluso con la máxima tensión de la palma. Los resultados sugieren su idoneidad para funcionar como bioelectrodos bajo ciclos repetitivos de estiramiento o contracción. El equipo construyó y probó el sistema de cableado kirigami para investigar sus propiedades mecánicas y eléctricas y detectó las propiedades mecánicas del sistema de cableado utilizando un probador de tracción. El sistema de cableado elástico demostró una elasticidad híbrida basada en kirigami y una elasticidad basada en caucho de silicona.

Luego, el equipo de investigación realizó pruebas exhaustivas en el laboratorio para comprender la propiedad de aislamiento del cableado kirigami y la recuperación de la forma después del alargamiento y la contracción. Para probar el dispositivo de contacto con la piel optimizado con un parche kirigami elástico y un módulo Bluetooth, midieron la impedancia de contacto entre el electrodo y la piel antes y después de que los participantes realizaran un balanceo de brazos. Los científicos compararon los resultados con una muestra que no era kirigami. Usando tres cámaras de alta velocidad, capturaron el movimiento de lanzamiento de los participantes para investigar el patrón de señal SEMG entre el APBM y otros músculos.

Yamagishi y col. luego investigó el movimiento de lanzamiento en cinco fases separadas; Terminar, amartillado temprano, amartillado tardío, aceleración y seguimiento. Atribuyeron la dificultad generalmente observada para que los lanzadores controlen las bolas curvas (en comparación con las rápidas), al fortalecimiento y debilitamiento de la actividad APBM, aproximadamente -0,5 segundos después de lanzar una bola curva. Los análisis electromiográficos del APBM durante el movimiento de lanzamiento con el parche de kirigami elástico intacto indicaron que los lanzadores controlaban la actividad del músculo de la palma durante la fase inicial de amartillado antes de soltar la pelota.

De este modo, Kento Yamagishi y sus compañeros de trabajo desarrollaron un dispositivo de parche de contacto con la piel con un sistema de cableado estirable inspirado en kirigami y bioelectrodos conductivos ultraconformables basados ​​en nanoláminas. Llevaron a cabo con éxito análisis sEMG dinámicos del músculo APBM, que no se pudo probar con dispositivos convencionales durante el lanzamiento de béisbol. El dispositivo mínimamente perceptible se puede utilizar para investigar la actividad de los músculos de los atletas durante el ejercicio sin interferir con su rendimiento. Las grabaciones de sEMG observadas en el trabajo permitirán a los investigadores obtener una comprensión más profunda de la actividad muscular en una amplia gama de deportes y movimientos.

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