تشخیص خستگی در هنگام فعالیت بدنی با لباس ورزشی هوشمند

محققان ETH زوریخ یک نخ الکترونیکی ابداع کرده‌اند که می‌تواند دقیقاً نحوه حرکت بدن افراد را اندازه‌گیری کند. حسگر نساجی که مستقیماً در لباس ورزشی یا لباس کار ادغام می‌شود، میزان خستگی کاربر را در طول فعالیت بدنی پیش‌بینی می‌کند.

خستگی ما را در هنگام ورزش یا انجام کارهای فیزیکی مستعد آسیب دیدگی می کند. گروهی از محققان ETH زوریخ به سرپرستی کارلو منون، پروفسور فناوری سلامت موبایل، اکنون یک حسگر نساجی ایجاد کرده‌اند که اندازه‌گیری‌های بی‌درنگ از میزان خستگی فرد در طول فعالیت بدنی را تولید می‌کند. آنها برای آزمایش حسگر جدید خود، آن را در یک جفت ساق ورزشی ادغام کردند. آزمایش‌کنندگان به سادگی با نگاهی به تلفن هوشمند خود می‌توانستند ببینند چه زمانی به حد مجاز خود می‌رسند و آیا باید استراحت کنند. فناوری جدید در مجله منتشر شده است مواد پیشرفته.

این اختراع، که ETH Zurich برای آن پتنت ثبت کرده است، می‌تواند راه را برای نسل جدیدی از لباس‌های هوشمند هموار کند: بسیاری از محصولاتی که در حال حاضر در بازار وجود دارند دارای قطعات الکترونیکی مانند حسگرها، باتری‌ها یا تراشه‌هایی هستند که به‌روزرسانی شده‌اند. این امر علاوه بر افزایش قیمت، ساخت و نگهداری این محصولات را دشوار می کند.

در مقابل، حسگر قابل کشش محققین ETH را می توان مستقیماً در الیاف مواد لباس ورزشی کشسان، متناسب و نزدیک یا لباس کار ادغام کرد. این امر تولید در مقیاس بزرگ را آسان تر و ارزان تر می کند. منون یک مزیت دیگر را برجسته می‌کند: «از آنجایی که سنسور بسیار نزدیک به بدنه قرار دارد، می‌توانیم حرکات بدن را بسیار دقیق و بدون اینکه کاربر متوجه شود، ثبت کنیم.»

یک نخ فوق العاده

وقتی مردم خسته می شوند، به گونه ای متفاوت حرکت می کنند – و دویدن نیز از این قاعده مستثنی نیست: قدم ها کوتاه می شوند و منظم تر می شوند. محققان ETH با استفاده از حسگر جدید خود که از نوع خاصی از نخ ساخته شده است، می توانند این اثر را اندازه گیری کنند.

همه اینها به لطف ساختار نخ است – فیبر داخلی از یک لاستیک رسانا و الاستیک ساخته شده است. محققان سیم سفت و سختی را که در لایه نازکی از پلاستیک پوشانده شده است، به صورت مارپیچی در اطراف این فیبر داخلی پیچیدند. تایلر کاتبرت، فوق دکترای گروه منون، که در تحقیق و توسعه ای که منجر به اختراع شد، می گوید: “این دو فیبر به عنوان الکترود عمل می کنند و یک میدان الکتریکی ایجاد می کنند. آنها با هم خازنی را تشکیل می دهند که می تواند بار الکتریکی را نگه دارد.” .

ساق دویدن هوشمند

دوختن این نخ در قسمت ران یک جفت شلوار شلوار کشدار به این معنی است که با دویدن فرد با ریتم خاصی کشیده و سست می شود. هر حرکت شکاف بین دو فیبر و در نتیجه میدان الکتریکی و بار خازن را تغییر می‌دهد.

در شرایط عادی، این نوسانات بار برای اندازه گیری حرکات بدن بسیار کوچک است. با این حال، خواص این نخ چیزی غیر از عادی است: کاتبرت می‌گوید: «بر خلاف بسیاری از مواد دیگر، نخ ما در واقع وقتی کشیده می‌شود ضخیم‌تر می‌شود.» در نتیجه، نخ به طور قابل توجهی به حداقل حرکات حساس تر است. حتی کمی کشش آن نوسانات قابل اندازه گیری مشخصی در شارژ سنسور ایجاد می کند. این امکان اندازه گیری و تجزیه و تحلیل حتی تغییرات ظریف در فرم اجرا را فراهم می کند.

اما چگونه می توان از این برای تعیین سطح خستگی یک فرد استفاده کرد؟ در تحقیقات قبلی، کاتبرت و منون یک سری آزمایش‌کننده را مشاهده کردند که در حالی که شلوارهای ساق ورزشی مجهز به حسگر مشابه به تن داشتند، می‌دویدند. آنها ثبت کردند که چگونه سیگنال های الکتریکی با خستگی بیشتر و بیشتر دوندگان تغییر می کند. گام بعدی آنها تبدیل این الگو به مدلی با قابلیت پیش بینی خستگی دوندگان بود که اکنون می تواند برای حسگر نساجی جدید آنها استفاده شود. اما اطمینان از اینکه مدل می‌تواند پیش‌بینی‌های دقیقی را در خارج از آزمایشگاه انجام دهد، به آزمایش‌های اضافی و انبوهی از داده‌های الگوی راه رفتن نیاز دارد.

آنتن نساجی برای انتقال اطلاعات بی سیم

برای فعال کردن حسگر نساجی برای ارسال سیگنال‌های الکتریکی به صورت بی‌سیم به یک گوشی هوشمند، محققان آن را به یک آنتن حلقه ساخته شده از نخ رسانا مجهز کردند که مستقیماً روی ساق‌ها نیز دوخته می‌شد. والریا گالی، دانشجوی دکترا در گروه منون می‌گوید: «سنسور و آنتن با هم یک مدار الکتریکی را تشکیل می‌دهند که به طور کامل در لباس ادغام می‌شود.

سیگنال الکتریکی از حسگر قابل کشش به آنتن منتقل می شود، که آن را با فرکانس مشخصی ارسال می کند که می تواند توسط تلفن هوشمند خوانده شود. پوشنده می دود و حسگر حرکت می کند و یک الگوی سیگنال با فرکانس در نوسان مداوم ایجاد می کند که سپس یک برنامه گوشی هوشمند آن را در زمان واقعی ضبط و ارزیابی می کند. اما محققان هنوز برای تحقق این امر کار توسعه کمی دارند.

برنامه های کاربردی شامل ورزش و محل کار است

در حال حاضر، محققان در حال کار بر روی تبدیل نمونه اولیه خود به یک محصول آماده بازار هستند. برای این منظور، آنها برای یکی از بورسیه های مورد تقاضای پایونیر ETH زوریخ درخواست می دهند. منون می گوید: “هدف ما این است که تولید لباس های هوشمند را مقرون به صرفه کنیم و در نتیجه آن را در دسترس عموم قرار دهیم.” او کاربردهای بالقوه را فراتر از ورزش در محل کار – برای جلوگیری از آسیب های ناشی از خستگی – و همچنین پزشکی توانبخشی می بیند.