スマートスポーツウェアで運動疲労を検出

まとめ：新しい繊維センサーは、電子部品を必要とせずに体の動きを正確に測定します。 このセンサーはトレーニングウェアに取り付けることができ、運動中の疲労度をリアルタイムで予測できます。

ソース：チューリッヒ工科大学

運動や肉体的な作業を行っているときに、疲労すると怪我をしやすくなります。

生物医学およびモバイルヘルス技術研究所の所長であるカルロ・メノン教授が率いるチューリッヒ工科大学の研究者グループは、身体活動中に人がどれだけ疲労するかをリアルタイムで測定する繊維センサーを開発しました。

新しいセンサーをテストするために、彼らはそれを運動用レギンスに組み込みました。 テスターはスマートフォンをひと目見るだけで、いつ限界に達するか、休憩を取るべきかどうかを知ることができました。

チューリッヒ工科大学が特許を申請したこの発明は、新世代のスマート衣類への道を開く可能性がある。現在市販されている製品の多くには、センサー、バッテリー、チップなどの電子部品が後付けされている。 これにより、価格が高騰するだけでなく、これらの製品の製造と維持が困難になります。

対照的に、ETH 研究者の伸縮性センサーは、伸縮性がありぴったりとフィットするスポーツウェアや作業服の素材繊維に直接組み込むことができます。 これにより、大規模な生産が容易かつ安価になります。

Menon 氏はもう 1 つの利点を強調します。「センサーは体の近くに配置されているため、着用者が気付かないうちに体の動きを非常に正確に捉えることができます。」

疲れると、人の動きは変わります。ランニングも例外ではありません。歩幅が短くなり、規則性が失われます。 ETHの研究者たちは、特別な種類の糸で作られた新しいセンサーを使用して、この効果を測定することができます。

それはすべて糸の構造のおかげです。内側の繊維は導電性の弾性ゴムでできています。 研究者らは、プラスチックの薄い層で覆われた硬いワイヤーをこの内側の繊維の周りにらせん状に巻き付けた。

「これら 2 本の繊維は電極として機能し、電場を生成します。一緒に、電荷を保持できるコンデンサーを形成します」と、メノンのグループのポスドクで、発明につながった研究開発に貢献したタイラー・カスバート氏は言う。 。

この糸を伸縮性のあるランニングレギンスの太もも部分に縫い込むことで、着用者が走ると一定のリズムで伸縮します。 それぞれの動きにより 2 本のファイバー間のギャップが変化し、電界とコンデンサの電荷も変化します。

通常の状況では、これらの電荷の変動は小さすぎて、物体の動きを測定するのには役立ちません。 しかし、この糸の性質は普通のものではありません。

「他のほとんどの素材とは異なり、私たちの素材は伸ばすと実際に厚くなります」とカスバート氏は言います。

その結果、糸は最小限の動きに対してはるかに敏感になります。 少しでも伸ばすと、センサーの電荷に明らかに測定可能な変動が生じます。 これにより、ランニングフォームの微妙な変化まで計測・分析することが可能となります。

しかし、これを人の疲労レベルを判断するためにどのように使用できるのでしょうか? 以前の研究で、カスバートとメノンは、同様のセンサーを備えた運動用レギンスを着用してランニングした一連のテスターを観察しました。 彼らは、ランナーがますます疲れるにつれて電気信号がどのように変化するかを記録しました。

彼らの次のステップは、このパターンをランナーの疲労を予測できるモデルに変換し、新しい繊維センサーに使用できるようにすることでした。 しかし、実験室の外でモデルが正確な予測を行えることを保証するには、多くの追加テストと大量の歩行パターン データが必要になります。

繊維センサーが電気信号をスマートフォンにワイヤレスで送信できるようにするために、研究者らは導電性糸で作られたループアンテナをセンサーに装備し、これもレギンスに直接縫い付けた。

「センサーとアンテナは一緒になって、衣料品に完全に組み込まれた電気回路を形成します」とメノンのグループの博士課程学生、ヴァレリア・ガリは言う。

電気信号は伸縮性センサーからアンテナに伝わり、アンテナからスマートフォンで読み取ることができる特定の周波数で信号が送信されます。 着用者が走り、センサーが動くと、継続的に変動する周波数の信号パターンが生成され、スマートフォン アプリがリアルタイムで記録して評価します。 しかし、研究者らはこれを実現するためにまだかなりの開発作業を行っている。

現在、研究者たちはプロトタイプを市場に出せる製品に変えることに取り組んでいます。 この目的を達成するために、彼らはチューリッヒ工科大学で人気のパイオニア フェローシップの 1 つに応募しています。

「私たちの目標は、スマート衣料品の製造を費用対効果の高いものにして、より多くの人々が利用できるようにすることです」とメノン氏は言います。

彼は、潜在的な用途がスポーツを超えて、疲労に関連した怪我を防ぐための職場やリハビリテーション医学にまで広がると見ています。

著者：クリストフ・エルハルトソース：チューリッヒ工科大学接触：クリストフ・エルハルト – チューリッヒ工科大学画像：画像のクレジットは Valeria Galli / ETH Zurich です

独自の研究:オープンアクセス。「理論限界を超えた感度を備えたヘリカルオーセティックヤーン容量性ひずみセンサー」Cuthbert T et al. 先端材料

抽象的な

理論限界を超えた感度を備えたヘリカルオーセティックヤーン容量性ひずみセンサー

過去 10 年間にわたるフレキシブルひずみセンサーの開発は、高いひずみパーセンテージと高い感度 (つまり、ゲージ係数) を実現することに焦点を当ててきました。 ひずみに相関付ける電気信号として静電容量を使用するひずみセンサーは、通常、ポアソン効果のため感度が制限されます。

オーゼティック構造を採用することにより、静電容量センサーの感度の限界が超えられ、このセンシング方式の競争力が向上しました。

この研究では、容量性センサーとして螺旋状オーセティックヤーンを初めて使用することが紹介されています。 螺旋状オーゼティックヤーン容量性センサー (HACS と呼ばれる) の応答は、直径の比と螺旋状の巻き付け長さという 2 つの主要な製造変数に依存することがわかりました。

これらの変数に応じて、静電容量値の増加または減少によってひずみに応答するセンサーを取得できます。

オーゼティック特性が大きくなると、より小さなひずみでより大きな感度が得られます。これは、高いゲージ係数を使用する場合には通常見られない特性です。 さらに、これまでに報告されているオーゼティック静電容量センサーとしては最高の感度が得られます。

可変静電容量応答と実験的に得られた高いゲージ率の両方を説明するセンサー応答のメカニズムを提案します。