¿Es posible detectar y evaluar las funciones neuromusculares a través de sensores de tensión portátiles, blandos pero duraderos?

(a) La estructura del modelo de análisis de elementos finitos (FEA) (arriba) y los factores de concentración de tensión calculados (SCF) frente a la tensión de tracción de carga (abajo) de UGCM aislado (curva negra) y UGCM ensamblado entre dos capas de caucho (curva naranja), respectivamente. El SCF se define como la relación de las tensiones principales máximas distribuidas en los extremos y el área media. (b) El esquema muestra la construcción clave del laminado GP ensamblado de UGCM con ranuras incorporadas en las capas de PDMS. Se intercaló un panel de UGCM en la ranura formada por dos capas de PDMS. Los dos extremos del UGCM se conectaron por separado a dos cables conductores blandos mediante pastas de plata. (c) Cambio relativo en la resistencia del laminado GP que se estira a diferentes niveles de tensión: 10 % (verde), 25 % (verde claro), 50 % (amarillo), 75 % (naranja) y 100 % (rojo) respectivamente, lo que indica su buena capacidad de estiramiento y detección. R se refiere a los cambios de resistencia del laminado GP bajo la tensión específica y R0 se refiere a la resistencia base del laminado GP antes del estiramiento. (d) El laminado GP con gran flexibilidad. Crédito: Science China Press

Lograr al mismo tiempo una ultrasuavidad, una sensibilidad ultraalta y una resiliencia mecánica es un gran desafío para la electrónica portátil y las máquinas blandas. Los sensores suaves pero portátiles con sus propiedades mecánicas bien combinadas con las de la piel humana suave han cumplido en gran medida las demandas para lograr la detección y evaluación de alta fidelidad y en tiempo real de diferentes movimientos corporales de forma remota. Sin embargo, como está restringido por la viscoelasticidad intrínseca de los materiales blandos convencionales, los sensores portátiles actuales basados en materiales blandos se utilizan principalmente para monitorear movimientos corporales relativamente grandes y de baja frecuencia. La detección de funciones neuromusculares sutiles y rápidas con un material blando es crucial para el diseño de dispositivos electrónicos portátiles altamente sofisticados, pero sigue siendo un desafío.

En un artículo publicado recientemente en National Science Review, un equipo multidisciplinario internacional presenta un nuevo diseño para abordar este desafío. Al aprovechar su descubrimiento anterior sobre las propiedades mecánicas y electromecánicas únicas de los materiales celulares ultraligeros a base de grafeno (UGCM), descubrieron que el UGCM posee un mecanismo de transferencia de tensión interfacial único cuando está en contacto con un material de caucho. Descubrieron que, a diferencia de los aerogeles electroconductores tradicionales, los UGCM de densidad ultrabaja (~ 1 mg/cm3) podían deformarse conforme a la capa de caucho hasta una tensión del 100 %. Este descubrimiento no solo dota a los UGCM intrínsecamente frágiles con una gran capacidad de estiramiento simplemente envolviéndolos con una capa exterior de caucho (formando el laminado GP); pero también proporciona un nuevo método para retener la propiedad electromecánica dinámica única del UGCM dentro de la estructura híbrida. El laminado GP resultante exhibe una respuesta de resistencia de frecuencia de banda ancha y altamente sensible (>180 Hz) para una amplia gama de tensiones.

Una ilustración de diferentes actividades corporales relacionadas con la contracción de los músculos esqueléticos ubicadas en diferentes rangos de tensión y frecuencia, incluido el actividades del músculo esquelético interno y sus actividades físicas manipuladas. Aquí se presentan algunos sensores de tensión representativos informados en el monitoreo de la actividad corporal humana para la claridad de este gráfico. Ningún informe ha demostrado el uso de sensores de tensión resistivos para monitorear los movimientos corporales sutiles y de alta frecuencia, como las actividades del músculo esquelético. Este trabajo se enfoca en usar los laminados GP como material modelo para explorar este aspecto. Crédito: Science China Press

El equipo, trabajando con expertos de diferentes disciplinas, buscó explorar más a fondo si tales compuestos UGCM/caucho podían monitorear las funciones neuromusculares sutiles y rápidas. El equipo realizó las pruebas clínicas en sujetos humanos y confirmó la precisión del laminado GP para monitorear diferentes grupos de músculos esqueléticos con la técnica tradicional, voluminosa y costosa de electromiografía (EMG) como referencia. La técnica EMG se ha utilizado durante mucho tiempo para monitorear las funciones musculares. El equipo descubrió que, durante las contracciones musculares provocadas eléctrica o voluntariamente, el laminado GP mostró una respuesta de señal muy consistente a EMG en diferentes rangos de intensidad y frecuencia. Esto permite además la evaluación de trastornos del movimiento neuromuscular, como el Parkinson y los temblores. Este estudio es realizado por el Dr. Zijun He bajo la supervisión del Prof. Dan Li (Ingeniería Química, Universidad de Melbourne) y el A/Prof. Ling Qiu (Escuela Internacional de Graduados de Tsinghua Shenzhen, Universidad de Tsinghua).

• (a) Una foto de la fijación de un laminado GP y sEMG en el grupo de músculos bíceps para la detección de la contracción del músculo esquelético. (b) Una comparación de los cambios de resistencia relativa registrados del laminado GP (curva naranja ) y salidas de voltaje de la sEMG (curva negra), que se refiere al potencial de acción del músculo, en respuesta a las contracciones evocadas del músculo bíceps a diferentes frecuencias de 1 Hz (arriba), 3 Hz (medio) y 5 Hz (abajo). ( c ) Los cambios de resistencia relativa del laminado GP en respuesta a las contracciones del músculo bíceps evocadas cuando la intensidad de la estimulación se ajustó a 50 mA (arriba), 20 mA (medio) y 10 mA (abajo). La frecuencia de estimulación se fijó a 3 Hz. (d) Una comparación de los valores de pico a valle de los cambios de resistencia relativa del laminado GP (puntos naranjas), indicado como el ‘laminado GP R/R0 absoluto’, con el pico a cambios en el rango máximo del potencial de acción muscular registrado a partir de la sEMG (puntos negros), indicados como el ‘voltaje absoluto s’ EMG’, en respuesta a las contracciones del músculo bíceps provocadas a diferentes intensidades de estimulación de 6 mA a 50 mA. Crédito: Science China Press
• (a) y (b) detecciones de temblores parkinsonianos que se manifiestan como (a) pronación o supinación en el antebrazo y (b) «pastillas rodantes» en el pulgar. Las inserciones en (a) muestran la posición del brazo cambiada de supinación a pronación con las señales correspondientes resaltadas en los cambios de resistencia del sensor. El recuadro inferior izquierdo en (b) demuestra la detección del trastorno de ‘píldora rodante’ mediante el uso del sensor de tensión en el pulgar. El recuadro superior derecho en (b) muestra el acercamiento de la señal de salida del sensor de deformación en los últimos 2 s. Crédito: Science China Press

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Semiconductores blandos que se estiran como la piel humana pueden detectar niveles de luz ultrabajos Más información: Zijun He et al , Detección de contracciones musculares esqueléticas sutiles pero rápidas con materiales celulares ultrasuaves y duraderos a base de grafeno, National Science Review (2021). DOI: 10.1093/nsr/nwab184 Proporcionado por Science China Press Cita: ¿Es posible detectar y evaluar las funciones neuromusculares a través de sensores de tensión portátiles, suaves pero duraderos? (2021, 20 de diciembre) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-12-neuromuscular-functions-wearable-soft-durable.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.