Patch gebruikt nanomagneten om spierbewegingen door de huid te detecteren

Met behulp van nanomagnetische composieten en geleidend garen hebben wetenschappers een slim textiel uitgevonden dat lichaamsbewegingen kan waarnemen en meten – van spieren die buigen tot pulserende aderen. Het toestel wordt op 27 juni gepresenteerd in het journaal Materie, is zelfaangedreven, rekbaar, duurzaam, waterdicht en kan voor een paar dollar met een naaimachine worden gemaakt. Het kan artsen op een dag helpen bij het beoordelen van spierblessures en het herstel van patiënten ondersteunen.

Het slimme textiel is technisch niet gemaakt van stof, maar heeft een stofachtige textuur. Het is gemaakt van een met nanomagneet gevulde rubberen patch die ongeveer zo groot is als twee postzegels. Met behulp van een naaimachine hechtten de onderzoekers verzilverd geleidend garen op de patch in een spoelontwerp. Mechanische krachten, zoals een vingertik, kunnen het patroon van magnetische velden in het rubber vervormen, waardoor een elektrische stroom door het garen ontstaat. De twee fenomenen waarbij krachten magnetische velden veranderen en magnetische fluxvariaties elektriciteit opwekken, staan ​​bekend als het magneto-elastische effect en elektromagnetische inductie.

“Ons apparaat is erg gevoelig voor biomechanische druk”, zegt senior auteur Jun Chen van het Department of Engineering, University of California, Los Angeles. “Het apparaat zet spieractiviteiten om in meetbare, high-fidelity elektrische signalen die draadloos naar telefoon-apps worden verzonden. Dit toont het potentieel aan voor gepersonaliseerde fysieke therapieën en het verbeteren van de revalidatie van spierblessures.”

Het apparaat is niet alleen gevoelig, maar ook nauwkeurig en geeft lichaamsbewegingen weer tot in elke spiergroep. Door het apparaat aan verschillende lichaamsdelen te bevestigen, maten onderzoekers duidelijk keelbewegingen tijdens het drinken van water, enkelbewegingen tijdens het lopen en zelfs de hartslag van een persoon vanaf hun pols. Wanneer het apparaat op de biceps van een persoon wordt aangebracht, kan het laten zien of ze hun arm buigen of hun vuist vastgrijpen en in welke mate of kracht. Op basis van dit soort informatie kan een arts de Goudlokje-zones vinden om overexcursie te voorkomen en gematigde activiteiten aan te moedigen, waarbij hersteldoelen op maat worden gemaakt voor hun patiënten.

Chen en zijn team stelden ook de functionaliteit van het apparaat op de proef. Om realistische omstandigheden zoals overmatig zweten en zware regen na te bootsen, bevochtigde het team het apparaat met een waterstraal en testte het de signaaluitvoer. De signalen bleven sterk. Het apparaat is niet alleen waterdicht, maar ook rekbaar en duurzaam, 3,5 keer langer en bestand tegen 100.000 vervormingscycli. Vanuit productieoogpunt merkt Chen op dat het apparaat eenvoudig te fabriceren en zeer schaalbaar is, en dat elke patch naar schatting minder dan $ 3 kost.

“Een ander hoogtepunt van het apparaat zijn de zelfvoedende eigenschappen”, zegt Chen. “De mogelijkheid om biomechanische kracht om te zetten in elektriciteit betekent dat het apparaat ook een generator is. Hierdoor zijn er geen omvangrijke, zware en stijve batterijpakketten nodig die normaal gesproken nodig zijn in draagbare elektronische ontwerpen.”

Vervolgens wil het team het slimme textiel dunner en lichter maken om de ervaring van de drager te optimaliseren. Chen en zijn team, die in 2021 het magneto-elastische effect in zachte systemen ontdekten, zijn ook van plan nieuwe manieren te onderzoeken om zijn bevindingen op te nemen in andere draagbare of implanteerbare bio-elektronica.

“We hebben het apparaat ook getest voor cardiovasculaire monitoring en ademhalingsmonitoring”, zegt Chen. “Op een dag kunnen we huidige systemen, zoals ECG’s, die externe stroombronnen nodig hebben, opnieuw uitvinden of vervangen, en ze minder omvangrijk en draagbaarder maken.”