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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9650 (2022) Citare questo articolo

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Presentiamo un nuovo design per una tuta per elettromiografia di superficie (sEMG) basata su tessuto elettronico che incorpora tessuti conduttivi elastici come elettrodi e interconnessioni all'interno di un indumento di compressione atletica. L'approccio di fabbricazione e assemblaggio è una facile combinazione di taglio laser e laminazione con pressa a caldo che consente la prototipazione rapida di progetti in un tipico ambiente di ricerca senza la necessità di attrezzature specializzate per la produzione di tessuti o indumenti. I materiali utilizzati sono resistenti all'usura, resistenti alle sollecitazioni elevate incontrate negli indumenti e possono essere lavati in lavatrice. La tuta produce una qualità del segnale sEMG paragonabile agli elettrodi adesivi convenzionali, ma con comfort, longevità e riutilizzabilità migliorati. L'elettronica integrata fornisce condizionamento del segnale, amplificazione, digitalizzazione e potenza di elaborazione per convertire i segnali EMG grezzi in una stima del livello di sforzo per la flessione e l'estensione delle articolazioni del gomito e del ginocchio. Si prevede che l'approccio descritto qui sia estendibile anche a una varietà di altri sensori elettrofisiologici.

Il monitoraggio del segnale biopotenziale dell'attivazione muscolare, generalmente indicato come elettromiografia (EMG), consente il rilevamento e la segnalazione dinamica e rapida della posizione e dell'intensità dei movimenti nel corpo umano. Questa potente tecnica è stata utilizzata per applicazioni quali il controllo delle protesi1,2,3, il monitoraggio della salute4,5,6 e le interfacce uomo-macchina trasparenti7,8,9. Sebbene esistano forme invasive di EMG, l’elettromiografia di superficie non invasiva (sEMG) è più comune e accettata per la maggior parte delle applicazioni. L’attuale gold standard per l’sEMG prevede il fissaggio manuale di elettrodi in gel temporanei fissati alla pelle utilizzando un adesivo. Sebbene questa tecnologia sia ben consolidata e produca segnali ad alta fedeltà, la sua dipendenza da gel conduttivi e ingombranti sistemi di acquisizione dati ne riduce la durata operativa, il comfort e la praticità per il monitoraggio longitudinale. Pertanto, è necessario sviluppare sensori sEMG di qualità da laboratorio che siano integrati ergonomicamente in indumenti ad alte prestazioni.

Per affrontare questo problema, sono stati compiuti sforzi significativi di ricerca nella progettazione e ottimizzazione di indumenti indossabili che sfruttano l'uso di tessuti elettronici (e-textiles). A differenza dei sistemi basati su argento-cloruro d'argento (Ag-AgCl), questi indumenti sEMG indossabili sono circuiti ibridi che incorporano elettrodi flessibili e interconnessioni basati su e-textile10,11,12,13,14. Esistono numerose tecniche per incorporare materiali conduttivi in ​​un indumento, tra cui il ricamo di fibre conduttive15,16,17,18,19, la stampa di inchiostri conduttivi20,21,22,23,24,25 e l'uso di adesivi per fissare tessuti conduttivi al tessuto26. Di queste tecniche consolidate, il ricamo e la stampa sono le più comunemente utilizzate. Tuttavia, richiedono competenze specializzate per generare modelli e strumenti complessi per alleviare la tensione specifici per l'industria dell'abbigliamento che non sono facilmente accessibili al laboratorio medio di ricerca. Pochi studi presentano sistemi completamente integrati su vasta area con ottimizzazione end-to-end per qualità e producibilità. Eccezioni degne di nota sono le piattaforme commerciali mirate con sistemi opachi e autonomi che sono costosi e bloccano l’accesso a dati grezzi e non elaborati. Al contrario, il nostro approccio basato sull’adesivo si concentra sulla laminazione a caldo per fissare i tessuti conduttivi al tessuto di base, un approccio molto più semplice alla costruzione dell’indumento. Inoltre, come dimostrato in questo lavoro, questo approccio può essere esteso senza soluzione di continuità per formare una facile connessione tra tessuto e circuito stampato con linguette flessibili del circuito stampato per la trasmissione del segnale all'elettronica di bordo.

Di conseguenza, per democratizzare le tute sEMG di alta qualità e di ampia area, in questo lavoro presentiamo un indumento sEMG modulare basato su e-textile robusto, scalabile e completamente integrato, realizzato con materiali commerciali facilmente disponibili. Eseguiamo un'attenta ottimizzazione dei materiali e del design per ciascun componente, caratterizziamo le prestazioni elettriche durante lo sforzo e l'esposizione e quantifichiamo le misurazioni del livello di sforzo per i muscoli bicipite/tricipite, quadricipite/bicipite femorale e tibiale anteriore/gastrocnemio. Al di là del nostro interesse immediato per l’sEMG basato su tessuti, il nostro approccio crea un percorso per integrare elettrodi cutanei ad alta fedeltà e interconnessioni per una varietà di sensori fisiologici, tra cui elettrocardiogramma (ECG), elettroencefalografia (EEG) e risposta galvanica cutanea (GSR).