Détecter l'épuisement physique avec des vêtements de sport intelligents

Résumé: Un nouveau capteur textile mesure avec précision les mouvements du corps sans avoir besoin de composants électroniques. Le capteur, qui peut être ajouté aux vêtements d'entraînement, peut prédire en temps réel à quel point vous êtes épuisé pendant l'exercice.

Source:ETH Zurich

L'épuisement nous rend plus sujets aux blessures lorsque nous faisons de l'exercice ou effectuons des tâches physiques.

Un groupe de chercheurs de l'ETH Zurich dirigé par le professeur Carlo Menon, responsable du laboratoire de technologie biomédicale et mobile de la santé, a développé un capteur textile qui produit des mesures en temps réel de l'épuisement d'une personne lors d'un effort physique.

Pour tester leur nouveau capteur, ils l'ont intégré dans un legging de sport. D'un simple coup d'œil à leur smartphone, les testeurs ont pu voir quand ils atteignaient leur limite et s'ils devaient faire une pause.

Cette invention, pour laquelle l'ETH Zurich a déposé un brevet, pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de vêtements intelligents : de nombreux produits actuellement sur le marché sont équipés de composants électroniques tels que des capteurs, des batteries ou des puces. En plus de faire grimper les prix, cela rend ces articles difficiles à fabriquer et à entretenir.

En revanche, le capteur extensible des chercheurs de l'ETH peut être intégré directement dans les fibres du matériau des vêtements de sport ou de travail extensibles et près du corps. Cela rend la production à grande échelle à la fois plus facile et moins chère.

Menon met en avant un autre avantage : "Comme le capteur est situé si près du corps, nous pouvons capturer les mouvements du corps de manière très précise sans que le porteur ne s'en aperçoive."

Lorsque les gens sont fatigués, ils bougent différemment – ​​et la course à pied ne fait pas exception : les foulées raccourcissent et deviennent moins régulières. À l'aide de leur nouveau capteur, composé d'un type de fil spécial, les chercheurs de l'ETH peuvent mesurer cet effet.

Tout cela grâce à la structure du fil : la fibre intérieure est constituée d'un caoutchouc conducteur et élastique. Les chercheurs ont enroulé un fil rigide, recouvert d'une fine couche de plastique, en une spirale autour de cette fibre interne.

"Ces deux fibres agissent comme des électrodes et créent un champ électrique. Ensemble, elles forment un condensateur qui peut contenir une charge électrique", explique Tyler Cuthbert, postdoctorant dans le groupe de Menon, qui a joué un rôle déterminant dans la recherche et le développement qui ont conduit à l'invention.

Coudre ce fil dans la partie cuisse d'une paire de leggings de course extensibles signifie qu'il s'étirera et se relâchera à un certain rythme pendant que le porteur court. Chaque mouvement modifie l'écart entre les deux fibres, et donc aussi le champ électrique et la charge du condensateur.

Dans des circonstances normales, ces fluctuations de charge seraient beaucoup trop faibles pour aider à mesurer les mouvements du corps. Cependant, les propriétés de ce fil sont tout sauf normales.

"Contrairement à la plupart des autres matériaux, le nôtre devient plus épais lorsqu'il est étiré", explique Cuthbert.

En conséquence, le fil est considérablement plus sensible aux mouvements minimes. L'étirer même un peu produit des fluctuations nettement mesurables de la charge du capteur. Cela permet de mesurer et d'analyser même des changements subtils dans la forme de course.

Mais comment cela peut-il être utilisé pour déterminer le niveau d'épuisement d'une personne ? Dans des recherches précédentes, Cuthbert et Menon ont observé une série de testeurs, qui couraient en portant des leggings de sport équipés d'un capteur similaire. Ils ont enregistré comment les signaux électriques changeaient à mesure que les coureurs étaient de plus en plus fatigués.

Leur prochaine étape consistait à transformer ce modèle en un modèle capable de prédire l'épuisement des coureurs qui peut maintenant être utilisé pour leur nouveau capteur textile. Mais s'assurer que le modèle peut faire des prédictions précises en dehors du laboratoire nécessitera de nombreux tests supplémentaires et des masses de données sur les schémas de marche.

Pour permettre au capteur textile d'envoyer des signaux électriques sans fil à un smartphone, les chercheurs l'ont équipé d'une antenne boucle en fil conducteur, qui a également été cousue directement sur le legging.

"Ensemble, le capteur et l'antenne forment un circuit électrique totalement intégré au vêtement", explique Valeria Galli, doctorante dans le groupe de Menon.

Le signal électrique voyage du capteur étirable à l'antenne, qui le transmet à une certaine fréquence pouvant être lue par un smartphone. Le porteur court et le capteur bouge, créant un schéma de signal avec une fréquence fluctuante en continu, qu'une application pour smartphone enregistre et évalue ensuite en temps réel. Mais les chercheurs ont encore pas mal de travail de développement à faire pour que cela se produise.

Pour le moment, les chercheurs travaillent à transformer leur prototype en un produit prêt à être commercialisé. À cette fin, ils postulent pour l'une des prestigieuses bourses Pioneer de l'ETH Zurich.

"Notre objectif est de rendre la fabrication de vêtements intelligents rentable et de la rendre ainsi accessible à un public plus large", déclare Menon.

Il voit les applications potentielles s'étendre au-delà du sport au lieu de travail - pour prévenir les blessures liées à l'épuisement - ainsi qu'à la médecine de réadaptation.

Auteur:Christophe ElhardtSource:ETH ZurichContact:Christoph Elhardt – ETH ZurichImage:L'image est créditée à Valeria Galli / ETH Zurich

Recherche originale : Accès libre "Capteurs de déformation capacitifs à fil auxiliaire hélicoïdal avec une sensibilité au-delà de la limite théorique" par Cuthbert T et al. Matériaux avancés

Abstrait

Capteurs de déformation capacitifs à fil auxétique hélicoïdal avec une sensibilité au-delà de la limite théorique

Le développement de capteurs de contrainte flexibles au cours de la dernière décennie s'est concentré sur l'accès à des pourcentages de contrainte élevés et à une sensibilité élevée (c'est-à-dire des facteurs de jauge). Les capteurs de contrainte qui utilisent la capacité comme signal électrique à corréler à la contrainte ont généralement une sensibilité limitée en raison de l'effet de Poisson.

En employant des structures auxétiques, les limites de sensibilité des capteurs capacitifs ont été dépassées, ce qui a amélioré la compétitivité de cette modalité de détection.

Dans ce travail, la première utilisation de fils auxétiques hélicoïdaux comme capteurs capacitifs est présentée. On constate que la réponse des capteurs capacitifs à fil auxétique hélicoïdal (appelés HACS) dépend des deux principales variables de fabrication - le rapport des diamètres et la longueur d'enroulement hélicoïdal.

En fonction de ces variables, des capteurs qui répondent à la contrainte avec des valeurs de capacité croissantes ou décroissantes peuvent être obtenus.

Un caractère auxétique plus important entraîne des sensibilités plus grandes accessibles à des souches plus petites, une caractéristique que l'on ne trouve pas couramment lors de l'accès à des facteurs de jauge élevés. De plus, la sensibilité la plus élevée pour les capteurs capacitifs auxétiques signalée jusqu'à présent est obtenue.

Un mécanisme de réponse du capteur qui explique à la fois la réponse de capacité variable et les facteurs de jauge élevés obtenus expérimentalement est proposé.