2023
06/21
相关创新主体

创新背景

肌肉疲劳(muscle fatigue)是指身体肌肉承受工作活动产生的疲劳,主要表现为乏力、工作能力减弱、工作效率降低、注意涣散、操作速度减慢、动作的协调性和灵活性降低、差错及事故发生率增加、工作满意感降低等,存在明显的个体差异,身体素质、营养状况、性别、年龄、工作动机和责任心等因素都对其有影响。

有许多理论试图解释它的产生机制,其中以“中枢学说”、“代谢物积累学说”和“能源耗尽学说”较有代表性:“中枢学说”认为,大脑有关区域持续兴奋导致的抑制性保护及抑制在大脑中的扩散是其产生的根本原因;“代谢物积累学说”认为,其产生是由于工作过程中代谢物(如乳酸)的不断产生与积累,使人体产生类似中毒的效应;“能源耗尽学说”认为,长期活动造成体内能源物质(如肌糖元)消耗殆尽,影响肌肉、大脑和各组织器官的能量供应,使人体丧失继续工作的能力。

检测肌肉疲劳一般是从工作绩效、主观反应和生理生化等方面对其作出综合评价从而进行判断。

 

创新过程

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经开发出一种能够精确测量人体运动方式的电子纱线,这种纺织品传感器直接集成到运动服或工作服中,可以预测穿戴者在体力消耗时的疲惫程度。

苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)已经为这项发明申请了专利,它可能为新一代智能服装铺平道路:目前市场上的许多产品都有传感器、电池或芯片等电子元件,这不仅推高了价格,还使这些物品难以制造和维护,相比之下,ETH研究人员的可拉伸传感器可以直接集成到具有弹性的贴身运动服或工作服的材料纤维中,这使得大规模生产既容易又便宜。

非凡的纱线

当人们感到疲倦时,他们的运动方式会发生变化,比如跑步时步幅变短、步伐变得不那么规律,研究人员可以通过使用由一种特殊类型的纱线制成的新型传感器来测量这种变化。

这都要归功于内部纤维由导电弹性橡胶制成的纱线,研究人员用一层薄薄的塑料包裹了一根坚硬的金属丝,在这种内部纤维周围缠绕成螺旋状,这两种纤维充当电极、产生电场,一起形成一个可以容纳电荷的电容器。

一根刚性线(橙色)缠绕在一段弹性橡胶(黑色)上;左图松弛,右图伸展

智能跑步紧身裤

将这种纱线缝合到弹性跑步紧身裤的大腿部分意味着它会随着穿着者的跑步以一定的节奏伸展和松弛,每次运动都会改变两根光纤之间的间隙,从而改变电场和电容器的电荷。

在正常情况下,这些电荷波动太小,无法帮助测量身体的运动,然而,这种纱线的特性与大多数其他材料不同,它在拉伸时实际上会变得更粗,因此,纱线对微小的运动相当敏感,即使稍微拉伸一下也会在传感器的电荷中产生明显可测量的波动,这使得利用它测量和分析跑步形式的细微变化成为可能。

拉伸会使纱线变粗

在之前的研究中,研究人员观察了一系列穿着装有类似传感器的运动打底裤跑步的受测者,他们记录了受测者越来越累时电信号的变化,他们的下一步是将这种模式转化为一种能够预测跑步者疲劳程度的模型。这种模型现在可以用于他们的新型纺织品传感器,但要确保该模型能够在实验室之外做出准确的预测,还需要大量额外的测试和大量的步态模式数据。

用于无线数据传输的纺织天线

为了使纺织品传感器能够向智能手机无线发送电信号,研究人员为其配备了一个由导电纱线制成的环形天线,该天线也直接缝在紧身裤上,传感器和天线一起形成一个完全集成到衣服中的电路。电信号从可拉伸传感器传播到天线,天线以智能手机能够读取的特定频率传输;佩戴者奔跑时传感器产生位移,继而产生频率连续波动的信号模式,然后智能手机应用程序对此进行实时记录和评估。

膝盖上方的织物传感器连接到嵌入腰带中的天线,它们共同形成一个可用于测量运动的电路

 

创新关键点

研究人员通过将一种纺织品传感器集成到工作服和运动服中来实时预测人们在体力消耗时的疲惫程度,从而防止在运动或工作场所发生与疲劳相关的伤害,这种纺织品传感器不需电池或芯片就可以非常精确地测量人体运动。

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