Riconoscere la stanchezza con pantaloni da corsa intelligenti

Le persone affaticate hanno maggiori probabilità di infortunarsi, sia durante lo sport che nel lavoro fisico. I ricercatori dell'ETH guidati da Carlo Menon, professore di Mobile Health Technologies, hanno ora sviluppato un sensore tessile che misura in tempo reale lo stato di stanchezza delle persone durante lo sforzo fisico. Hanno testato il nuovo sensore su un paio di pantaloni da corsa. Guardando il loro smartphone, i soggetti del test sono stati in grado di determinare quando avevano raggiunto i loro limiti e dovevano fare una pausa.

L'invenzione brevettata dall'ETH di Zurigo potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di abbigliamento intelligente: Molti prodotti disponibili sul mercato, infatti, hanno componenti elettronici come sensori, batterie o chip attaccati all'abbigliamento in una fase successiva. Ciò rende la produzione macchinosa, comporta prezzi elevati e rende difficile la manutenzione dei prodotti.

Al contrario, il sensore di allungamento dei ricercatori dell'ETH è integrato direttamente nelle fibre del tessuto di indumenti sportivi o da lavoro elastici e aderenti, il che facilita la produzione industriale e ne abbassa il prezzo. Un altro vantaggio: "Lo stretto contatto con il corpo del sensore ci permette di registrare i movimenti del corpo in modo molto accurato senza che l'utente se ne accorga", afferma Menon.

Un filato straordinario

Quando le persone sono stanche, si muovono in modo diverso. Questo accade anche quando si cammina: I passi diventano più corti e meno regolari. I ricercatori dell'ETH stanno misurando questo effetto con il loro nuovo sensore, costituito da un filo speciale.

Ciò è reso possibile dalla struttura del filato: la fibra interna è costituita da una gomma conduttiva ed elastica. I ricercatori hanno avvolto a spirale un filo rigido, ricoperto da un sottile strato di plastica. "Le due fibre agiscono come elettrodi e generano un campo elettrico. Insieme formano un condensatore in grado di immagazzinare una carica elettrica, che chiamiamo capacità", spiega Tyler Cuthbert, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Menon, che ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo.

I pantaloni da corsa intelligenti

Se questo filo viene ora cucito su pantaloni da corsa elastici all'altezza delle cosce, viene allungato e allentato di nuovo con un certo ritmo durante la corsa. A ogni movimento, la distanza tra le due fibre cambia e con essa il campo elettrico e la capacità del condensatore.

In circostanze normali, queste fluttuazioni di capacità sarebbero molto piccole e non sarebbero sufficienti per misurare i movimenti del corpo. Ma le proprietà del filato sono tutt'altro che normali: "A differenza della maggior parte degli altri materiali, diventa più spesso quando lo si tira", spiega Cuthbert. Questo rende il filo molto più sensibile ai più piccoli movimenti. Se si espande leggermente, si verificano fluttuazioni chiaramente misurabili nella capacità del sensore. In questo modo è possibile misurare e valutare anche i più piccoli cambiamenti nel comportamento di corsa.

Ma come si può dedurre la stanchezza di una persona da questo? In un precedente progetto di ricerca, Cuthbert e Menon hanno osservato una serie di soggetti che correvano sponsorizzando pantaloni da corsa con un sensore simile. Hanno registrato come i segnali elettrici del sensore cambiassero con l'aumentare della stanchezza. I ricercatori hanno quindi utilizzato questo schema per creare un modello che predice la fatica dei corridori e che può essere utilizzato anche per il nuovo sensore tessile. Tuttavia, affinché il modello possa fare previsioni affidabili al di fuori del laboratorio, sono ancora necessari numerosi altri test e molti dati sul movimento.

Antenna tessile per la trasmissione di dati senza fili

Per trasmettere i segnali elettrici del sensore tessile a uno smartphone senza cavo, i ricercatori lo hanno collegato a un'antenna a bobina fatta di filato conduttivo, anch'essa ricamata direttamente sui pantaloni da corsa. "Insieme, il sensore e l'antenna formano un circuito elettrico completamente integrato nell'abbigliamento", spiega Valeria Galli, dottoranda del gruppo di Menon.

Il segnale elettrico del sensore di deformazione fa sì che l'antenna emetta un segnale a una frequenza specifica che può essere letto da uno smartphone. Se il sensore viene spostato mentre si cammina, viene generato un modello di segnale con una frequenza costantemente fluttuante, che può essere registrato e analizzato da un'app in tempo reale. Tuttavia, questo è un sogno del futuro e richiede ancora molto lavoro di sviluppo.

Applicazioni nello sport e nel posto di lavoro

I ricercatori stanno attualmente lavorando per trasformare il prototipo in un prodotto pronto per il mercato. A tal fine, si stanno candidando per una delle ambite borse di studio per pionieri dell'ETH di Zurigo. "Il nostro obiettivo è rendere gli indumenti intelligenti più convenienti e quindi accessibili a un pubblico più ampio", afferma l'ETH Menon. Menon vede applicazioni non solo nello sport, ma anche sul posto di lavoro per prevenire gli infortuni dovuti alla fatica o nel campo della medicina riabilitativa.