Detección del agotamiento por ejercicio con ropa deportiva inteligente

Resumen: Un nuevo sensor textil mide con precisión los movimientos del cuerpo sin necesidad de componentes electrónicos. El sensor, que se puede agregar a la ropa de entrenamiento, puede predecir en tiempo real qué tan agotado se siente durante el ejercicio.

Fuente:ETH Zúrich

El agotamiento nos hace más propensos a lesionarnos cuando hacemos ejercicio o realizamos tareas físicas.

Un grupo de investigadores de ETH Zurich dirigido por el profesor Carlo Menon, jefe del laboratorio de tecnología biomédica y de salud móvil, ha desarrollado un sensor textil que produce mediciones en tiempo real de cuán exhausta se siente una persona durante el esfuerzo físico.

Para probar su nuevo sensor, lo integraron en un par de mallas deportivas. Simplemente mirando su teléfono inteligente, los evaluadores pudieron ver cuándo estaban llegando a su límite y si debían tomar un descanso.

Este invento, para el cual ETH Zurich ha presentado una patente, podría allanar el camino para una nueva generación de ropa inteligente: muchos de los productos actualmente en el mercado tienen componentes electrónicos como sensores, baterías o chips adaptados a ellos. Además de hacer subir los precios, esto hace que estos artículos sean difíciles de fabricar y mantener.

Por el contrario, el sensor estirable de los investigadores de ETH se puede integrar directamente en las fibras del material de la ropa deportiva o de trabajo elástica y ajustada. Esto hace que la producción a gran escala sea más fácil y económica.

Menon destaca otro beneficio: "Dado que el sensor está ubicado tan cerca del cuerpo, podemos capturar los movimientos del cuerpo con mucha precisión sin que el usuario se dé cuenta".

Cuando las personas se cansan, se mueven de manera diferente, y correr no es una excepción: los pasos se acortan y se vuelven menos regulares. Usando su nuevo sensor, que está hecho de un tipo especial de hilo, los investigadores de ETH pueden medir este efecto.

Todo gracias a la estructura del hilo: la fibra interna está hecha de una goma conductora y elástica. Los investigadores envolvieron un cable rígido, que está revestido con una fina capa de plástico, en una espiral alrededor de esta fibra interna.

"Estas dos fibras actúan como electrodos y crean un campo eléctrico. Juntas, forman un condensador que puede contener una carga eléctrica", dice Tyler Cuthbert, un postdoctorado en el grupo de Menon, quien fue fundamental en la investigación y el desarrollo que condujo a la invención. .

Coser este hilo en la sección del muslo de un par de mallas elásticas para correr significa que se estirará y aflojará a un cierto ritmo a medida que el usuario corre. Cada movimiento altera el espacio entre las dos fibras y, por tanto, también el campo eléctrico y la carga del condensador.

En circunstancias normales, estas fluctuaciones de carga serían demasiado pequeñas para ayudar a medir los movimientos del cuerpo. Sin embargo, las propiedades de este hilo son todo menos normales.

"A diferencia de la mayoría de los otros materiales, el nuestro en realidad se vuelve más grueso cuando se estira", dice Cuthbert.

Como resultado, el hilo es considerablemente más sensible a los movimientos mínimos. Estirarlo aunque sea un poco produce fluctuaciones claramente medibles en la carga del sensor. Esto hace posible medir y analizar incluso cambios sutiles en la forma de correr.

Pero, ¿cómo se puede usar esto para determinar el nivel de agotamiento de una persona? En una investigación anterior, Cuthbert y Menon observaron a una serie de evaluadores que corrían mientras usaban mallas deportivas equipadas con un sensor similar. Registraron cómo cambiaban las señales eléctricas a medida que los corredores se cansaban más y más.

Su siguiente paso fue convertir este patrón en un modelo capaz de predecir el agotamiento de los corredores que ahora se puede utilizar para su novedoso sensor textil. Pero garantizar que el modelo pueda hacer predicciones precisas fuera del laboratorio requerirá muchas pruebas adicionales y una gran cantidad de datos de patrones de marcha.

Para permitir que el sensor textil envíe señales eléctricas de forma inalámbrica a un teléfono inteligente, los investigadores lo equiparon con una antena de bucle hecha de hilo conductor, que también se cosió directamente a las mallas.

"Juntos, el sensor y la antena forman un circuito eléctrico que está completamente integrado en la prenda", dice Valeria Galli, estudiante de doctorado en el grupo de Menon.

La señal eléctrica viaja desde el sensor estirable hasta la antena, que la transmite a una determinada frecuencia capaz de ser leída por un teléfono inteligente. El usuario corre y el sensor se mueve, creando un patrón de señal con una frecuencia que fluctúa continuamente, que luego una aplicación de teléfono inteligente registra y evalúa en tiempo real. Pero los investigadores aún tienen mucho trabajo de desarrollo por hacer para que esto suceda.

Por el momento, los investigadores están trabajando para convertir su prototipo en un producto listo para el mercado. Con este fin, están solicitando una de las becas Pioneer más buscadas de ETH Zurich.

"Nuestro objetivo es hacer que la fabricación de ropa inteligente sea rentable y, por lo tanto, ponerla a disposición de un público más amplio", dice Menon.

Él ve que las aplicaciones potenciales se extienden más allá del deporte al lugar de trabajo, para prevenir lesiones relacionadas con el agotamiento, así como a la medicina de rehabilitación.

Autor:Christoph ElhardtFuente:ETH ZúrichContacto:Christoph Elhardt – ETH ZúrichImagen:La imagen está acreditada a Valeria Galli / ETH Zurich

Investigacion original: Acceso abierto. "Sensores de deformación capacitiva de hilo auxético helicoidal con sensibilidad más allá del límite teórico" por Cuthbert T et al. Materiales avanzados

Abstracto

Sensores de deformación capacitiva de hilo auxético helicoidal con sensibilidad más allá del límite teórico

El desarrollo de sensores de tensión flexibles durante la última década se ha centrado en acceder a altos porcentajes de tensión y alta sensibilidad (es decir, factores de calibre). Los sensores de tensión que emplean la capacitancia como señal eléctrica para correlacionar la tensión suelen tener una sensibilidad restringida debido al efecto Poisson.

Mediante el empleo de estructuras auxéticas se han superado los límites de sensibilidad de los sensores capacitivos, lo que ha mejorado la competitividad de esta modalidad de detección.

En este trabajo se presenta el primer empleo de hilos auxéticos helicoidales como sensores capacitivos. Se encuentra que la respuesta de los sensores capacitivos de hilo auxético helicoidal (denominados HACS) depende de las dos variables de fabricación principales: la relación de diámetros y la longitud de envoltura helicoidal.

Dependiendo de estas variables, se pueden obtener sensores que respondan a la deformación con valores de capacitancia crecientes o decrecientes.

Un mayor carácter auxético da como resultado sensibilidades más grandes accesibles a deformaciones más pequeñas, una característica que no se encuentra comúnmente cuando se accede a factores de calibre alto. Además, se obtiene la sensibilidad más alta para sensores capacitivos auxéticos reportada hasta el momento.

Se propone un mecanismo de respuesta del sensor que explica tanto la respuesta de capacitancia variable como los altos factores de calibre obtenidos experimentalmente.